Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время при разработке бортовых радиоэлектронных систем (БРЭС) широко используются готовые к применению модули коммерческого исполнения (Commercial Off The Shelf -COTS). К числу проектов с применением COTS-продуктов относится целый ряд авиационных (самолеты F/A 18, AV8B, F-117A, F-22, Nimrod MRA4, Harrier, Tornado, беспилотный самолёт Global Hawk, экспериментальный гиперзвуковой самолет NASA Х-33) и космических (станция ALPHA, космические челноки Space Shuttle, автоматический космический аппарат Pathfinder) изделий. Указанная тенденция обусловлена тем, что COTS-продукты отличаются более обширной номенклатурой, низкими ценами, более короткими сроками разработки и модернизации, лучшей программной поддержкой, преемственностью, которая препятствует моральному устареванию используемых технологий и обеспечивает тем самым больший срок эксплуатации. Однако все эти многочисленные преимущества обесцениваются при ужесточении условий эксплуатации, когда использование стандартных серийных компонентов становится невозможным. В связи с этим большинство отечественных и зарубежных разработчиков БРЭС проводят исследования, направленные на то, чтобы гарантировать возможность применения стандартных изделий в расширенных условиях эксплуатации. В результате была предложена методология NDI (Non-Developmental Item) «неразрабатываемых заново» изделий, гарантирующая полную совместимость модулей коммерческого (гражданского) и бортового (военного) назначения. Одним из ключевых положений этой методологии является оценка способности разрабатываемых изделий сохранять свои характеристики в широком диапазоне внешних воздействий. Подобные исследования должны охватывать все этапы проектирования и, в первую очередь, этап схемотехнического проектирования, где формируется основная концепция построения изделия, проводится анализ условий эксплуатации для оценки эффективности изделия в выявленных условиях. Важный вклад в развитие теории и практики построения высокоэффективных радиоэлектронных комплексов, в том числе предназначенных для применения на борту летательных аппаратов, внесли видные отечественные ученые и конструкторы Абутидзе З.С., Анцев Г.В., Белый Ю.И., Голованов Н.А., Захаревич А.П., Зеленюк Ю.И., Крюков СП., Кузнецов А.Г., Макаров Н.Н., Норенков И.П., Парамонов П.П., Петренко А.И., Подоплекин Ю.Ф., Сабо Ю.И., Сарычев В.А., Сигорский В.П., Синани А.И., Солдаткин В.М., Турчак А.А., Хвощ СТ. и др.
Вместе с тем, ряд важных аспектов, связанных с принятием проектных решений при создании БРЭС на базе COTS-продуктов, нуждается в дополнительных исследованиях. Дело в том, что принимать подобные проектные решения приходится в условиях неопределенности, поскольку заранее неизвестно, как поведут себя модули коммерческого (гражданского) исполнения в бортовых условиях эксплуатации. При этом существующие системы поддержки принятия решений не позволяют снизить
неопределенность в оценке проектных альтернатив до уровня, гарантирующего выполнение требований к величине разброса схемотехнических характеристик разрабатываемых устройств. Указанное обстоятельство обуславливает актуальность сформулированной темы диссертационной работы, направленной на разработку системы поддержки принятия решений на основе оценки робастности сложных БРЭС с использованием COTS-продуктов.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности БРЭС за счет использования COTS - продуктов, способных сохранять свои характеристики в широком диапазоне внешних воздействий.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы и решены следующие задачи:
1. Разработка системы поддержки принятия решений при формировании
облика сложных БРЭС с использованием COTS-продуктов, способных
сохранять свои характеристики в широком диапазоне внешних воздействий.
2. Разработка методики оценки робастности БРЭС, включающей
совокупность NDI - процедур исследования поведения COTS - продуктов в
заданных условиях эксплуатации.
Разработка обобщенной структурно-параметрической модели БРЭС, учитывающей влияние неопределенных факторов внешней и внутренней среды.
Разработка совокупности вычислительных алгоритмов, реализующих NDI - процедуры анализа робастности БРЭС для типовых режимов функционирования.
5. Разработка программного комплекса анализа робастности БРЭС.
Методическая база и методы исследования. При решении
поставленных задач использованы методы теории принятия решений, системного анализа, методы решения систем интервальных линейных (методы Гаусса и Хаусхолдера), нелинейных (методы Ньютона и Кравчика) и дифференциальных уравнений (метод Эйлера), методы интервальной арифметики Кахана и Каухера, а также метод построения схем в конечных приращениях.
Объектом исследования являются сложные бортовые
радиоэлектронные системы, построенные с использованием готовых к применению модулей коммерческого исполнения.
Предмет исследования: теоретические и прикладные вопросы принятия решений при проектировании, анализе и моделировании сложных бортовых радиоэлектронные систем с цель повышения эффективности функционирования за счет использования готовых к применению модулей коммерческого исполнения.
Основные научные результаты, выносимые на защиту
1. Система поддержки принятия решений при формировании облика
сложных БРЭС с использованием COTS-продуктов, способных сохранять свои
характеристики в широком диапазоне внешних воздействий.
2. Методика оценки робастности БРЭС, включающая совокупность NDI
- процедур исследования поведения COTS - продуктов в заданных условиях
эксплуатации.
3. Обобщенная структурно-параметрическая модель БРЭС,
учитывающая влияние неопределенных факторов внешней и внутренней среды.
4. Совокупность вычислительных алгоритмов, реализующих NDI -
процедуры анализа робастности БРЭС для типовых режимов
функционирования.
5. Результаты оценки эффективности предложенной системы поддержки
принятия решений с использованием программного комплекса анализа
робастности БРЭС.
Научная новизна
Используемый в системе поддержки принятия решений алгоритм отличается тем, что позволяет снизить неопределенность в оценке возможных вариантов построения БРЭС за счет выбора и осуществления оптимального эксперимента на основе прогноза предполагаемых результатов.
Методика оценки робастности БРЭС отличается тем, что она содержит функционально полную совокупность NDI - процедур, которые позволяют на этапе схемотехнического проектирования выяснить возможность применения стандартных изделий в расширенных условиях эксплуатации.
Обобщенная структурно-параметрическая модель БРЭС, отличается тем, что она гарантирует алгоритмическую разрешимость систем уравнений, записанных в конечных приращениях.
4. Новизна вычислительных алгоритмов, реализующих NDI - процедуры
анализа робастности БРЭС для типовых режимов функционирования,
обусловлена применением интервальных методов решения дифференциальных
и алгебраических уравнений с использованием полной арифметики Каухера,
что позволяет получать внешнюю интервальную оценку решения, максимально
приближенную к интервальной оболочке этого решения.
Практическая значимость и внедрение результатов исследований
1. Система поддержки принятия решений при формировании облика
сложных БРЭС с использованием COTS-продуктов позволяет снизить затраты
на производство новых систем бортового оборудования из-за использования
более дешевых компонентов массового производства, увеличить срок
эксплуатации за счет лучшей мобильности, переносимости и
интероперабельности COTS-продуктов, что препятствует моральному
устареванию используемых технологий.
Методика оценки робастности БРЭС, включающая совокупность NDI - процедур исследования поведения COTS - продуктов, позволяет сократить время, затраченное на расчетно-теоретические работы при проектировании бортовых устройств, предназначенных для использования в жестких условиях эксплуатации.
Практическая значимость обобщенной структурно-параметрической модели БРЭС, учитывающей влияние неопределенных факторов внешней и внутренней среды, заключается в значительном сокращении временных и материальных ресурсов, затрачиваемых на макетирование и проведение экспериментальных исследований с целью снижения уровня неопределенности
в оценке проектных альтернатив.
4. Полученная в работе совокупность вычислительных алгоритмов,
реализующих NDI - процедуры анализа робастности БРЭС для типовых
режимов функционирования, позволяет адекватно оценивать диапазон
изменения характеристик исследуемых устройств, что создает предпосылки для
расширения области применения COTS-продуктов в оборонных и
аэрокосмических системах.
5. Практическая значимость программного комплекса анализа
робастности БРЭС заключается в том, что он позволяет автоматизировать
трудно формализуемые этапы схемотехнического проектирования, от которых
зависит потенциальная эффективность разрабатываемых изделий.
Практическая значимость результатов диссертационной работы подтверждается внедрением в производственную деятельность ФГУП КумАПП (г. Кумертау).
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах:
XI Международной научно-технической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении», (г. Санкт-Петербург, 28-30 июня 2007 г.).
XXXIV Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», (г. Москва, 1-5 апреля 2008 г.).
XVI Международной научно-практической молодежной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ, 28 - 30 мая 2008 г.).
Региональной научно-практической конференции «Технология, автоматизация, оборудование и экология», (г. Уфа, УГНТУ, 2008).
XVIII Научно-практической конференции молодых ученых и специалистов РКК «Энергия» (г. Королев, Московская область, 24 - 28 ноября 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 в журналах, входящих в список ВАК РФ; 7 публикаций в трудах и материалах конференций; 1 свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ по теме диссертации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 152 страницах машинописного текста, включая 32 рисунков и 13 таблиц. Список использованной литературы включает 161 наименование и занимает 16 страниц.
