Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. АКТУАЛЬНОСТЬ РАЗРАЬОТКИ И АНАЛИЗ НЕКОТОРЫХ ИЗВЕСТНЫХ НА НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ ПРИМЕНЕНИЙ СТРУКТУРНОГО ПОДХОДА 10
1.1. Проблемы и перспективы синтези сложных систем 10
1.1.1. Сложность процесса проектирования больших систем 10
1.1.2. Известные методы проектирования 14
1.1.3. Определение процесса проектирования 17
1.2. Применения структурного подходи при решении задач проектиронапни 18
1.2.1. Сущность структурного подхода 18
1.2.2. Применения структурного подхода при проектировании алгоритмов распознавания графических изображений 20
1.2.3. Топологические методы на графах при конструировании печатных плат 23
1.2.4. Топологические методы па ірафах при проектировании распределённых систем экологического мониторинга (СЭМ) 25
1.2.5. Топологические методы при проектировании диалогов человеко-машинных систем и при смысловом распознавании текстов 28
1.3. Постшшика задачи 34
1.3.1. Подходы при проектировании измерительных систем и обоснование применения автоматизации при структурном проектировании ИИС 34
1.3.2. Анализ недостатков рассмотренных применений структурного подхода с точки зрения проектирования ИИС 36
1.3.3. Концепция разрабатываемой компьютерной поддержки 39
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1 42
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАЬАТЫВАЕМОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПОДДЕРЖКИ 43
2.1. Объект и средство измерений 43
2.1.1. Измерительные преобразования 43
2.1.2. Процесс проектирования сложной ИИС 44
2.1.3. Представление объекта проектирования на основе теории категорий 47
2.2, Разработка модели данных для представлении и операторов для их обработки 50
2.2.1. Представление проектируемой структуры па основе графа 50
2.2.2. Операторы преобразований структуры 53
2.3, Оптимизация и восстановление оптимизированной структуры наМНВУ 63
2.3.1. Примерная оценка сложности 63
2.3.2. Получение МНВУ и восстановление оптимальной структуры 64
2.4, Применение структурно-иерархического подхода на графах к проектированию 66
2.4.1. Проектирование на основе модели компонентов 66
2.4.2. Проектирование на основе модели процессов 74
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2 86
ГЛАВА 3. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПОДДЕРЖКИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕЁ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИ СТРУКТУРНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ ИИС 87
3.1. Концепции компьютерной поддержки при проектировании ИИС на системном этане 87
3.1.1. Обоснование применения автоматизации при проектировании ИИС на системном уровне 87
3.1.2. Представление информации для автоматизированной обработки 94
3.2. Подробная структура программного пакета 96
3.2.1. Описание функционального оптимизатора структур ИИС 96
3.2.2. Описание программного пакета и его модулей 100
3.3. Инженерная методика носі роения больших измерительных систем в контексте автоматизации 109
3.3.1. Краткое описание методики 109
3.3.2. Блок-схема метода проектирования ИИС с использованием автоматизации 110
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 113
ГЛАВА 4. МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ СТРУКТУР ПРОЕКТИРУЕМЫХ ИИС И РАЗРАБОТАННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИИС 114
4.1. Общий подход к определению метрологических характеристик сложных систем 114
4.1.1. Метрологический анализ ИИС на этапе просктироиапия структуры ИИС 114
4.1.2. Программное обеспечение и алгоритмы, применяемые для проектирования ИИС и разрезе метрологического анализа 116
4.2. Теоретические основы оценки погрешности ИИС 120
4.2.1. Накопление погрешности в многоуровневой ИИС 120
4.2.2. Алгоритм оценки примерной погрешности структуры при взаимном влиянии компонентов 121
4.2.3. Оценка программно-ориентированных алгоритмов 130
4.3. Пример метрологической оценки погрешности 135
4.3.1. Оценка погрешности фрагмента структуры 135
4.3.2. Опенка погрешности программно-ориентированных алгоритмов 138
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4 144
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РА1ЮТЫ (ЗАКЛЮЧЕНИЕ) 145
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ 146
ПРИЛОЖЕН И Е I 157
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 158
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 160
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 172
- Проблемы и перспективы синтези сложных систем
- Процесс проектирования сложной ИИС
- Концепции компьютерной поддержки при проектировании ИИС на системном этане
- Общий подход к определению метрологических характеристик сложных систем
Введение к работе
Актуальность темы
Системный этап – наиболее важный этап в проектировании. От того, насколько корректно выбрана структура будущей системы, будет зависеть трудоёмкость реализации её компонентов на последующих этапах, вплоть до изготовления и испытания опытного образца. Системный этап проектирования целесообразен тогда, когда речь идёт о создании любого сложного материального объекта, включающего в себя несколько десятков функциональных компонент и подсистем. На системном этапе проектирования информационно-измерительных систем (ИИС), измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) с использованием средств вычислительной техники, когда необходимо выбрать структуру, невозможно наиболее полно использовать возможности современных программных автоматизированных систем, так как в них нет реализации аппарата переменных экстремальных структур, позволяющих оптимизировать структуру по функциональному распределению.
В настоящее время нет специализированных программных пакетов, предназначенных именно для проектирования структур ИИС. Имеющийся ассортимент соответствует задачам проектирования ЭВМ и электронных устройств общего или специализированного назначения и лишь приспосабливается для нужд проектирования ИИС при возможности. Необходимость применения автоматизированного подхода при выборе структуры объясняется тем, что реализация сложной ИИС многовариантна, кроме того в процессе проектирования бывает необходимо подвергать оптимизации отдельные фрагменты или всю ИИС целиком, замещать отдельные блоки другими структурами, полученную структуру опять подвергать оптимизации и т. д. При этом во время оптимизации процесс необходимо контролировать и иметь возможность возврата назад, а по завершении – изменять полученные результаты. Чтобы выбрать наилучший вариант, необходимо много вычислительной работы на графах, которую можно переложить на средства современной вычислительной техники.
В связи с этим актуальной представляется задача создания программной системы, выполняющей эти функции, для реализации которой необходима разработка адекватной алгоритмической базы, позволяющей выбрать оптимальную структуру будущей ИИС.
Объектом исследования в данной работе является структура ИИС, для машинного представления которой используется граф, заданный в виде матрицы инцидентности.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является создание алгоритмов и методик для построения программных автоматизированных систем, предназначенных для структурного проектирования сложных ИИС и их метрологического анализа.
В соответствии с указанной целью работы были поставлены следующие задачи диссертационного исследования:
Разработка математической модели для представления данных, отождествляемых со структурой проектируемой ИИС.
Разработка и модернизация существующих алгоритмов для структурных преобразований графов.
Разработка операторов для преобразования модели данных, отождествляемых со структурой ИИС.
Разработка методики проведения метрологического анализа на структурном уровне.
Разработка программного пакета для структурного проектирования ИИС и их метрологического анализа.
Методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использовались метод замещения на графах, используемый для начального синтеза структуры, аппарат переменных экстремальных структур, основанный на модифицированном алгоритме Бёржа. Алгоритмы, реализованные автором, были реализованы на языке Object Pascal с использованием интегрированной среды разработки Borland Delphi.
Научная новизна. Основные результаты диссертационного исследования, имеющие научную новизну, заключаются в следующем:
Разработана алгебраическая модель иерархической и функциональной реализации структуры проектируемой ИИС с разбиением по уровням подсистем, устройств, блоков, субблоков, плат и т. д. в виде категорий и направленных графов и предложены операторы для преобразования структур при автоматизированном проектировании, представленных в виде упорядоченных множеств и модифицированных матриц инцидентности.
Разработан алгоритм преобразования функционального уравнения в граф на основе типовых фрагментов, которые в данном алгоритме представлены математическими функциями, отождествляемыми с блоками ИИС и алгоритм восстановления оптимизированной структуры на множестве наименьшей внешней устойчивости с учётом функционального распределения первоначальной структуры.
Разработан алгоритм для априорной оценки погрешности рассматриваемой структуры ИИС по заданному пути и выведены аналитические зависимости оценки погрешности для программно реализованной функции преобразования данных обычного направленного графа в двудольный.
Практическую ценность имеет разработанное автором программное обеспечение, которое может быть использовано для структурного проектирования ИИС.
Достоверность полученных результатов основана на непротиворечивых исходных положениях и корректных выводах с подтверждением экспериментальной проверкой разработанных алгоритмов.
Реализация результатов работы.
Теоретические результаты реализованы в виде программных модулей, позволяющих проверить работоспособность разработанных алгоритмов.
Положения, выносимые на защиту:
-
Алгебраическая модель структуры ИИС для функционального и иерархического представления, алгоритмическая модель представления структуры и аппарат её преобразования.
-
Алгоритмы программных модулей и принципы их функционирования.
-
Метрологический анализ структуры с произвольно заданными значениями погрешностей и получение аналитических зависимостей погрешностей в алгоритмах программы.
-
Результаты экспериментов, подтверждающих правильность разработанных алгоритмов и методик.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на семинарах кафедры «Вычислительная техника» Волгоградского государственного технического университета (2001-2006 г.г.), на научном совете по структурным методам проектирования измерительных систем Волгоградского отделения Метрологической академии Российской Федерации (2001-2006 г.г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо - энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (г. Волжский, 2006 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 статей, из них 2 – в центральных научных журналах.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка используемой литературы (139 наименований) и четырёх приложений общим объёмом 183 страницы.
Личный вклад автора. Лично автором разработаны: алгоритм преобразования функционального уравнения в граф на основе эталонных фрагментов; модель данных для представления структуры; алгоритм восстановления оптимальной структуры на множестве наименьшей внешней устойчивости с учётом блочных функций; операторы для преобразования данных, отождествляемых с проектируемой структурой ИИС; алгоритм метрологического анализа структуры ИИС на этапе проектирования; инженерная методика структурного проектирования ИИС с применением программной автоматизации; методика качественной оценки погрешности программно-ориентированных алгоритмов ИИС на языке высокого уровня; методика замещения компоненты ИИС структурой, состоящей из компонент другого уровня, а также программная реализация всех разработанных алгоритмов. Были поставлены эксперименты по получению качественных соотношений для процедуры преобразования в двудольный граф, по проектированию оптимизированной структуры ИИС машиностроительного производства для сети обрабатывающих центров МЛ-622 с метрологическим анализом до и после оптимизации. Все эксперименты были проведены лично автором.
Проблемы и перспективы синтези сложных систем
Сложность процесса проектирования больших систем состоит и необходимости удовлетворения всем их свойствам, что обеспечивается только с позиций системного подхода. Смысл подхода выражен в [16, 17, 22], где говорится, что методологическая специфика системного подхода определяется тем, что ориентирует исследование па раскрытие целостности объекта и обеспечивающих механизмов, на выявление многообразных типов связей сложного объекта и сведение их в единую теоретическую картину. Что за многообразие типов связей имеется в виду, если речь, например, идет о проектировании сложной управляющей электронной системы? В данном случае управляющая система должна реализовать требуемый алгоритм, что определяется функциональной структурой. Она осуществляет переработку внутренней информации в условиях стыковки блоков с разными типами кодов, представляющих ату информацию. Эффективность работы системы в немалой степени будет зависеть от надежности этой системы. При всех условиях стоимость системы должна быть минимальной, а погрешность воспроизведения закона управления — в рамках допустимой. Таким образом, выстраиваемая система определяется структурно-функционально, по надежности, по информационному, точностному и стоимостному критериям. А при необходимости могут появиться и дополнительные подходы. В этом случае наиболее общим, т. с. дающим прямой ответ или допускающим применение дополнительных формальных средств, следует считать аппарат теории мно жеств, алгебраических систем, теории графов и теории категорий - все, что можно объединить одним определением - аппарат структур с распределением функции.
Так же, как и исходная задача — проектирование больших систем, названный аппарат допускает иерархию использования. Так, теория множеств и алгебраические системы эффективны при моделировании технических условий и анализе границ параметров и критериев. Теория категорий используется на начальных стадиях синтеза структуры системы, а теория ірафов позволяет выбрать оптимальное решение с требуемым критерием.
Обобщённый пример многоканальной ИИС для технологаческих измерений машиностроительного производства с структурированием информации по уровням представлен па рис. 1.1.
Процесс проектирования сложной информационно-измерительная система
Процесс проектирования сложной, топологически распределённой измерительной системы, охватывает широкий спектр действий от анализа технических требований (ТТ) и исходных данных до изготовления и испытаний опытного образца - сложная, многоэтапная процедура, с многочисленными связями между различными этапами [22, 56, 60]. Рассматривая существенные свойства систем, определяю! уровни проектирования.
В соответствии с [16, 17, 22, 45, 75] различают алгоритмический, структурный, функционально - логический, схемотехнический и конструкторско-технологический уровень проектирования. Па самом первом, алгоритмическом уровне, анализируются алгоритмы управления, решаются вопросы функционирования всей системы в целом, оцениваются временные отношения между алгоритмами измерения и управляющими воздействиями. В случае с ИИС здесь идёт речь о формировании уравнений измерения.
Па структурном уровне выясняются принципы организации системы, выбирается архитектура и основы построения программного обеспечения. Полученные результаты детализируются па функционально-логическом уровне.
Далее происходит оформление электрических схем и конструкции, формируются чертежи и технологическая документация, необходимая для производства.
Проектирование сложных ИИС включает в себя два связанных блока: блока синтеза структуры и параметрического синтеза [32]. Первый блок включает в себя:
1) получение измерительных процедур и уравнений па всех уровнях детализации;
2) определение спецификации межблочных связей, исходя из функционального распределения по устройствам, блокам для различных уровней детализации;
3) получение спецификаций алгоритмов управления измерительными процессами па основании полученного распределения функций;
4) метрологическую оценку спроектированной ИИС в целом, построение метафункциопала - общей передаточной функции; 5) распределение ограничений, заданных в ТЗ по всем алгоритмам управления и выбор элементной базы. Каждый шаг данного блока может быть детализирован и для соответствия данным ТЗ, оптимизирован. Каждый шаг итерационен по своей природе, (как и весь блок) и может быть выполнен любое число раз, пока полученные результаты не будут соответствовать результатам ТЗ.
Второй блок включает в себя определение информационных, метрологических, энергетических, конструктивных параметров подсистем, устройств, блоков и всей ИИС в целом. Второй блок линеен по выполнению и опирается на результаты первого. Он не может существовать сам по себе.
Концепции компьютерной поддержки при проектировании информационно-измерительная система на системном этане
Создание компьютерной поддержки для структурного проектирования ИИС при реализации теоретического подхода построения структур ИИС подразумевает создание соответствующей программной системы. Всякий процесс проектирования есть эвристически направленный, сложный, с элементами итерации алгоритм. В общем виде он характеризуется:
1) наличием нечёткости и некоторых пунктах представления априорных знаний;
2) наличием мультипликативности при реализации в зависимости от анализа измерительной ситуации (ИзмС) и предметной области (ПрО);
3) наличием педетермипированности выводов (в зависимости от процесса анализа и процесса оптимизации возможно наличие нескольких вариантов структуры графа ИИС для первоначальной структуры);
4) наличием итерационных циклов при первоначальном проектировании и наличием многопараметрических условий, которые могут повторяться и не повторяться в зависимости от измерительной ситуации.
При первоначальном проектировании структуры ИИС истают следующие задачи:
1) Анализ ПрО, в которой будет эксплуатироваться проектируемая ИС. Здесь следует подробно описать производственный процесс, выделить, в соответствии с ТЗ точки контроля первоначальной измерительной информации (места измерительных преобразователей - датчиков), выбрать каналы передачи для визуального контроля или преобразования для обработки на ЭВМ, для передачи па управляющие механизмы (если таковые имеются),
2) Ныдслепис рабочих мест с органами ручного и полуавтоматического контроля.
3) Формирование общего уравнения системы.
4) Детализация и выделение составляющих компонентов на основе имеющихся или оригинальных.
5) Формирование измерительных уравнений по каждой физической величине измерения. При этом учитывают преобразование исходной контролируемой величины (например давления, скорости движения вещества по трубам, температуры и т. д.) в электрический сигнал и намечают путь его преобразования (усиление, преобразование в цифровую форму, аналоговое дифференцирование и т.д.).
6) Формирование по полученным измерительным уравнениям структур графа.
7) Формирование графов по алгоритмам функционирования по каждому режиму.
8) Объединение структур в общую структуру ИИС.
9) Корректировка полученной структуры графа.
10) Построение двудольного графа структуры и получение множества наименьшей внешней устойчивости в диалоговом режиме и построение новой оптимизированной структуры.
11) Формирование таблицы замещения, па основе которой будет в дальнейшем сформирована таблица функций, которая определит новое функциональное распределение функций по вершинам,
12) Корректировка оптимизированной структуры графа и функционального распределения, и при необходимости повторение 11,10, п.11, п.12. 13) Приближённый метрологический анализ полученной структуры и оценка возможности реализации с учётом имеющихся компонентов.
14) Документирование полученных результатов проектирования.
При компьютерной поддержке в идеале должна быть реализована автоматизированная поддержка всех этих 14 пунктов, в связи с чем необходима полная формализация процесса проектирования ИИС на уровне данных, используемых для представления проектируемых структур па основе графов и на уровне алгоритмических процессов, используемых для преобразования этих структур.
Общий подход к определению метрологических характеристик сложных систем
К метрологическим характеристикам измерительных систем относятся прежде всего погрешности преобразования сигналов из-за электрофизических характеристик компонентов элементной базы, нелинейных искажений при преобразовании сигнала, помехах при передаче, параметрах датчиков и т. д. Кроме того, никакое измерение не делается абсолютно точно. И если погрешность нельзя как таковую исключить вообще из рассмотрения, то необходимо свести к минимуму.
Для этой цели, как уже было сказано в гл. 2 структура подвергается оптимизации с поиском МНВУ [56] для уменьшения количества элементов, с целью использовать комбинированные компоненты. Это уменьшает длину интерфейсных связей, сокращает их количество, что влияет и на погрешность.
Общая погрешность измерения по каждому каналу изначально задаётся в ТЗ. Погрешность проектируемой структуры должна быть меньше или равна заданной. Преобразователи аналоговых компонентов в большинстве случаев имеют заданные пределы погрешностей преобразования.
Любой измерительный процесс сопровождается погрешностью, которая проявляется при прохождении обрабатываемого сигнал через канал ИС. По 115 грешность подразделяется на аддитивную, мультипликативную, инструментальную [92]. В ИС погрешность зависит от типов используемых датчиков, от внешних помех, воздействующих на датчик при выполнении измерения, от передачи первоначального сигнала на преобразователи, от погрешности преобразователей, которые зависят и от шага дискретизации, при переводе сигнала из аналогового в цифровую форму, погрешности из-за нелинейных искажений при усилении/ослаблении сигнала, из-за интерфейсных связей. Это можно изобразить графически:
Таково общее представление о погрешности измерительного процесса, когда каждое преобразование сопровождается искажениями измерительной информации. Сложные ИИС всегда имеют в своём наличии ПО. Оно представляет набор управляющих микрокоманд, который базируется на электронном вычислительном устройстве, в роли которого может выступать автономная ЭВМ, ПЭВМ, микроконтроллер, специализированная микропроцессорная система.
Измерительная информация, изначально снимаемая с датчика в виде аналогового сигнала хаотичного вида подвергается преобразованию по схеме на рис. 4.1. Во время преобразования происходит закономерное искажение сигнала и накопление погрешностей. Из [89-92] известно, что изначально существует 3 вида погрешностей: инструментальная, методическая и систематическая. Инструментальная погрешность - это погрешность средства измерения или измерительного канала в рамках большой ИИС или ИВК. Она включает в себя методическую - погрешность выбранных методов преобразования измерительного сигнала. Здесь следует учитывать заметное влияние побочных факторов - например, частоты дискретизации при квантовании, фильтрации в известном диапазоне частот, потери при передаче информации по каналам связи и интерфейсам (в этом случае применяют помехоустойчивое кодирование и алгоритмы коррекции ошибок), ограниченности разрядов ЦАП-АЦП. Систематическая - это погрешность, основанная на влияние неучтённых факторов, имеющих неслучайное значение - влияние магнитного поля Земли, космических излучений и т.д.
