Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследование ранних этапов процесса проектирования БРЭС 16
1.1. Особенности БРЭС как объекта проектирования 16
1.2. Интегрированная САПР на основе системы АСОНИКА 22
1.3. Анализ процесса проектирования БРЭС с позиций автоматизации проектных задач, относящихся к категории эвристических 25
1.4. Обзор экспертных систем, применяемых в процессе проектирования БРЭС . 39
1.5. Роль программного комплекса информационной поддержки принятия проектных решений в общей структуре процесса проектирования БРЭС 49
1.6. Постановка задач диссертации 54
1.7. Выводы по первой главе 56
ГЛАВА 2. Разработка метода автоматизированного проектирования БРЭС, основанного на автоматизированной поддержке принятия проектных решений 57
2.1. Требования к методу 57
2.2. Разработка структуры и алгоритма метода автоматизированного проектирования БРЭС 58
2.3. Разработка структур информационной модели и баз знаний 71
2.3.1. Базы знаний синтеза информационной модели БРЭС 71
2.3.2. Информационная модель БРЭС 78
2.3.3. Базы знаний синтеза топологических моделей физических процессов, протекающих в БРЭС 89
2.3.4. Базы знаний выбора проектных решений, направленных на обеспечение тепловых характеристик БРЭС 98
2.4. Выводы по второй главе 111
ГЛАВА 3. Разработка программного комплекса информационной поддержки принятия проектных решений в составе системы асоника 112
3.1. Требования к программному комплексу 112
3.2. Разработка архитектуры программного комплекса ЭКСПРЭС 112
3.3. Информационная модель БРЭС 123
3.4. Реализация специализированных баз знаний 125
3.4.1. База знаний синтеза информационной модели БРЭС 128
3.4.2. База знаний синтеза топологических моделей тепловых процессов, протекающих в БРЭС 131
3.4.3. База знаний принятия проектных решений с целью обеспечения тепловых характеристик БРЭС 134
3.5. Выводы по третей главе 138
ГЛАВА 4. Разработка методики автоматизированного проектирования БРЭС и экспериментальная проверка метода и методики 140
4.1. Разработка методики автоматизированного проектирования БРЭС на ранних этапах, основанного на комплексном исследовании характеристик средствами математического моделирования и автоматизации проектных задач, относящихся к категории эвристических 140
4.2. Разработка методики создания специализированных баз знаний для выбора проектных решений 154
4.3. Экспериментальная проверка разработанных моделей, метода и методики 162
4.4. Внедрение результатов работы 175
4.5. Выводы по четвертой главе 175
Заключение 177
Список используемых источников 180
Приложения 192
- Анализ процесса проектирования БРЭС с позиций автоматизации проектных задач, относящихся к категории эвристических
- Базы знаний синтеза топологических моделей физических процессов, протекающих в БРЭС
- База знаний принятия проектных решений с целью обеспечения тепловых характеристик БРЭС
- Разработка методики создания специализированных баз знаний для выбора проектных решений
Введение к работе
Конкурентоспособность вновь создаваемых радиоэлектронных средств (РЭС) в определяющей степени зависит от оперативности и качества их разработки. Особенно остро стоят эти проблемы при проектировании наиболее сложных РЭС, к числу которых относятся, прежде всего, бортовые РЭС (БРЭС). Они имеют сложные алгоритмы функционирования, обладают повышенной надежностью, высокими удельными массогабаритными показателями, высокой помехозащищенностью, подвергаются воздействию широкого спектра дестабилизирующих факторов и т. п. В настоящее время процесс создания БРЭС является достаточно длительным (порядка 3-5 лет) и дорогостоящим. При этом первые годы эксплуатации сопровождаются многочисленными доработками, целью которых является устранение различного рода недостатков, дефектов, предпосылок к отказам, в том числе и к системным, а также самих системных отказов. Причины такого положения заключаются в несовершенстве процесса проектирования, связанном, в первую очередь, с недостаточным уровнем развития методов автоматизировашюго проектирования.
Исследования, связанные с проектированием РЭС средствами математического моделирования, проводились Б. Л. Беляевым, Г. Н. Дульневым, В. В. Жад-новым, В. К Зольниковым, А. М. Кожевниковым, Ю. Н. Кофановым, А. В. Лиси-циным, И. П. Норенковым, В. Д. Разевигом, А. В. Сарафановым, С. Р. Тумковским, А. С. Шалумовым и др. Перечисленными авторами достаточно глубоко проработаны вопросы комплексного исследования характеристик РЭС средствами математического моделирования. Рядом ученых, работающих в этом направлении из Московского института электроники и математики, Красноярского государственного технического университета, Ковровской государственной технологической академии, Запорожского государственного технического университета, Уральского политехнического университета, результаты исследований были воплощены в системе АСОНИКА, которая развивается в течение последних 20 лет и была внедрена на более чем 50-ти предприятиях РФ и стран СНГ.
Выпущен ряд РДВ по использованию системы АСОНИКА в процессе создания РЭС специального назначения. В конце 90-х годов на базе системы АСОНИКА и общеизвестных М-систем, таких как Protel и OrCAD и ряда других, была разработана интегрированная САПР (ИСАПР), позволяющая реализовать принципы надежностно-ориентированного проектирования на основе комплексного исследования характеристик РЭС и БРЭС.
Однако методы, реализуемые в системе АСОНИКА в составе ИСАПР, направлены на анализ и обеспечение характеристик БРЭС, но не несут функций целенаправленного поиска решений, ведущих к повышению показателей технического уровня РЭС, что напрямую связано с автоматизацией системы поддержки проектных задач, относящихся к категории эвристических. Это объясняется тем, что в результате комплексных исследований необходимо анализировать массу информации, включая исходную, выходную, справочную, а также не проработаны вопросы формализации и хранения типовых проектных решений, обеспечивающих высокие показатели технического уровня. В данном направлении рядом предприятий ведутся попытки накопления опыта создания БРЭС, выраженных в ведении разных баз данных, но это носит неупорядоченный характер и напрямую не связано с комплексами систем проектирования РЭС, за некоторым исключением, но для БРЭС широкого назначения это не характерно.
Проведенный в диссертации обзор экспертных систем, применяемых в процессе проектирования БРЭС, таких как LUSY_S, EMI Expert System, SPECCTRA Expert System, Knowledge-Ware, показал, что применение существующих программ в рамках ИСАПР в значительной степени затрудненно, так как в процессе консультации необходимо взаимодействовать с проблемными CAD-/CAE-систсмами, справочными БД, информационной моделью БРЭС, динамически формировать диалоги с отображением многочисленной разнородной информации в процессе консультации, проводить консультацию на базе современных информационных технологий и т. д., что требует разработки ЭС, тесно интегрированной с системой АСОНИКА.
Таким образом, для создания конкурентоспособных БРЭС актуальной задачей является разработка вопросов автоматизированного проектирования БРЭС, основанных на комплексном исследовании их характеристик средствами математического моделирования и автоматизированной поддержки принятия проектных решений.
Целью диссертационной работы является сокращение сроков разработки и повышение показателей технического уровня БРЭС за счет автоматизированной поддержки принятия проектных решений на ранних этапах создания БРЭС.
Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены и решены задачи.
1. Разработка метода автоматизированного проектирования БРЭС, основан
ного на автоматизированной поддержке принятия проектных решений.
В рамках метода разработаны:
Информационные модели БРЭС.
Структура базы знаний синтеза информационной модели БРЭС.
Структура базы знаний синтеза топологических моделей физических процессов, протекающих в БРЭС.
Структура базы знаний выбора проектных решений, направленных на обеспечение тепловых характеристик БРЭС.
2. Разработка программного комплекса информационной поддержки приня
тия проектных решений как составной части системы АСОНИКА.
В рамках программного комплекса разработаны базы знаний:
Синтеза информационной модели БРЭС.
Синтеза топологических моделей тепловых процессов, протекающих в БРЭС.
Принятия проектных решений с целью обеспечения тепловых характеристик БРЭС и повышения показателей технического уровня БРЭС.
3. Разработка методик:
3.1. Автоматизированного проектирования БРЭС на ранних этапах, основанного на комплексном исследовании характеристик средствами
8 математического моделирования и автоматизации проектных задач, относящихся
к категории эвристических.
3.2. Разработка методики создания специализированных баз знаний
для выбора проектных решений.
4. Экспериментальная проверка и внедрение разработанных моделей, метода программного и методического обеспечения в практику промышленного проектирования и в учебный процесс вузов.
Для решения поставленных задач были использованы принципы представления и использования знаний, принципы системного подхода, принципы структурного и объектно-ориентированного программирования, теория моделирования разнородных физических процессов, аппарат теории графов, теория систем автоматизированного проектирования, экспериментальные методы исследования.
Основные положения, выносимые на защиту. При решении поставленных задач были получены:
Метод автоматизированного проектирования БРЭС, основанного на автоматизированной поддержке принятия проектных решений.
Информационная модель БРЭС.
Структуры баз знаний: синтеза информационной модели БРЭС; синтеза топологических моделей физических процессов, протекающих в БРЭС; выбора проектных решений, направленных на обеспечение тепловых характеристик БРЭС.
Структура программного комплекса информационной поддержки принятия проектных решений как составной части системы АСОНИКА.
Методика автоматизированного проектирования БРЭС на ранних этапах, основанного на комплексном исследовании характеристик средствами математического моделирования и автоматизации проектных задач, относящихся к категории эвристических.
Методика создания специализированных баз знаний для выбора проектных решений.
9 При решеЕіии поставленных в диссертации задач были получены следующие новые научные результаты:
Метод автоматизированного проектирования, отличающийся от известных тем, что позволяет выбирать направления улучшения температурной стабильности выходных характеристик БРЭС, удельных характеристик, надежности, помехозащищенности и т. д. при помощи комплексного исследования характеристик и автоматизации на их основе системы поддержки принятия проектных решений.
Информационная модель БРЭС, отличающаяся от известных тем, что позволяет обеспечить информационную поддержку процесса проектирования БРЭС за счет накопления и комплексирования информации о БРЭС.
Структура базы знаний синтеза топологических моделей физических процессов БРЭС, отличающаяся тем, что позволяет вести целенаправленный синтез на основе унифицированных топологических параметризованных и информационной моделей БРЭС.
Структура базы знаний выбора проектных решений, направленных на обеспечение, тепловых характеристик БРЭС, отличающаяся тем, что позволяет улучшить показатели технического уровня БРЭС, информационной поддержкой консультации, возможностью настройки принимаемых решений для конкретного предприятия.
Структура программного комплекса, отличающаяся тем, что он интегрирован с ИСАПР, информационной поддержкой процесса консультации, возможностью синтеза информационной модели БРЭС, параметризованных топологических моделей физических процессов в БРЭС, выбора проектных решений, повышающих технический уровень БРЭС.
Методика автоматизированного проектирования БРЭС, отличающаяся тем, что позволяет сократить сроки проектирования и повысить показатели технического уровня БРЭС при помощи автоматизации поддержки принятия проектных решений на основе комплексного исследования характеристик БРЭС и методических основ СЛLS-идеологии.
10 Методика создания баз знаний выбора проектных решений, отличающаяся
тем, что созданные по ней базы знаний позволяют повысить технический уровень БРЭС за счет комплексного исследования характеристик и применения базы типовых решений, настраиваемых для конкретного предприятия.
Практическая полезность работы состоит в том, что разработанные в ней модели, метод, программное и методическое обеспечения позволяют усовершенствовать процесс проектирования БРЭС на базе современных информационных технологий и обеспечить конкурентоспособность БРЭС: повысить технический уровень и сократить сроки проектирования БРЭС. Усовершенствована система АСОНИКА в части интеллектуализации принятия проектных решений.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в диссертации модели, методы, методическое и программное обеспечение использовались при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых на кафедрах «Электронная техника» Московского государственного открытого университета и «Приборостроение» ИРЭ Красноярского государственного технического университета.
Основные результаты работы внедрены в практику проектирования Государственного унитарного предприятия «Конструкторское бюро информатики, гидроакустики и связи» (г. Москва), Государственного научно-исследовательского института приборостроения (г. Москва), а также в учебный процесс Красноярского государственного технического университета, Московского института электроники и математики.
Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: Всероссийской ежегодной научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Красноярск, 2002 г., 2004 г., 2005 г.); Международной научно-технической конференции и Российской научной школе «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий» (г. Сочи, 2002 г.); Международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых ученых и спе-
циалистов «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий» (г. Сочи, 2003 г.); Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Москва, 2002 г,, 2003 г.); Российской научно-технической конференции «Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании» (г. Ковров, 2002 г.); 57-й научной сессии, посвященной дню радио (г. Москва, 2002 г.), Международной научно-технической конференции и Российской научной школы «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий (ИННОВАТИКА-2004)» (г. Сочи, 2004 г.).
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка (175 наименования) и 3-х приложений. Диссертация изложена на 218 стр. машинного текста, имеет 67 рисунков и 20 таблиц.
Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 17 научных работ, из них 10 статей, материалы исследований вошли в два отчета по НИР.
В первой главе был проведен анализ особенностей БРЭС как объекта проектирования. Было показано, что БРЭС отличаются высокой удельной массой, повышенной мощностью тепловыделений (до 500-600 Вт/дмЗ), длительными сроками эксплуатации (для спутников порядка 12-15 лет), сложными алгоритмами функционирования, большим количеством выполняемых функций, большим диапазоном токов, большим частотным диапазоном от Гц до ГГц, применением цифровых и аналоговых устройств, большим количеством одновременных воздействий дестабилизирующих факторов, их широким спектром и интенсивностью в значительной степени влияющих на стабильность выходных характеристик и надежность БРЭС.
Процесс создания БРЭС достаточно длительный порядка 3-5 лет и дорогостоящий. При этом первые годы эксплуатации связаны с большим количеством доработок, направленных на выявление скрытых дефектов, которые носят простой или системный характер. При этом, как правило, для устранения недостатков
12 кардинальная переделка БРЭС невозможна, т. к. конструкция уже детально проработана, поэтому недостатки устраняются путем незначительных изменений БРЭС, что не обеспечивает должным образом высокого технического уровня БРЭС и значительно увеличивает сроки проектирования. Причины такого положения заключаются в недостатках процесса проектирования, связанных, в первую очередь, с недостаточным уровнем развития методов автоматизированного проектирования в области принятия проектных решений. Сложность современных БРЭС настолько высока, что разработчик не в состоянии предсказать ее характеристики даже качественно. Поэтому в процессе проектирования БРЭС, особенно на ранних ее стадиях важно получить всю доступную информацию об БРЭС, чтобы выбрать наиболее рациональный вариант их реализации. С этой целью была разработана система АСОНИКА с рядом других CAD-/CAE- систем, таких как Prolel, OrCAD и др., составляющих ИСАПР позволяет проводит в значительной мере полное исследование характеристик БРЭС средствами математического моделирования.
Процесс проектирования при помощи ИСАПР основывается на комплексном исследовании физических процессов, протекающих в БРЭС, их влиянии на выходные характеристики БРЭС; исследовании показателей надежности и качества БРЭС; использовании СЛІЗ'-идеологии, реализуемой через электронный макет ЭМ. Однако, недостатком приведенного подхода к проектированию является то, что разработчик вынужден проводить технические экспертизы схемно-конструктивного построения создаваемых БРЭС и предлагать проектные решения полагаясь только на свой личный опыт и не позволяет эффективно применять годами накопленный на предприятиях опыт проектирования БРЭС. На ряде предприятий предпринимаются попытки решения вопросов накопления, сохранения и передачи накопленного опыта создания БРЭС, а также проектирования с использованием экспертных систем. Так, например, 22 ЦНИИИ МО РФ распространяется база характерных недостатков проектных решений, применяемой при разработке БРЭС военного назначения. Кроме того, в процессе принятия проектного решения разработчик должен самостоятельно проводить анализ больших масси-
13 dob информации о характеристиках БРЭС предоставляемой ИСАПР. Что ставит
задачу автоматизации принятия проектных решений на основе информации о характеристиках БРЭС предоставляемой ИСАПР и накопленного опыта на предприятиях проектирования БРЭС представляющего собой отработанные проектные решения.
Поэтому был проведен анализ процесса проектирования БРЭС и классифицированы основные задачи принятия проектных решений, возникающие в процессе проектирования БРЭС и выделены те, которые необходимо автоматизировать при помощи экспертной системы (ЭС).
Была показана роль ЭС в рамках ИСАПР, которая позволяет расширить ее возможности в задачах автоматизации принимаемых проектных решений на основе информации о характеристиках БРЭС предоставляемой ИСАПР, а также на основе накопленных знаний о проектировании БРЭС т. е. типовых решений, отработанных на предприятиях. Для упрощения получения информации ЭС о электрических, тепловых, аэро-/гидравлических характеристиках БРЭС, показателях надежности, конструктивной реализации, предлагается применить информационную модель БРЭС. Для синтеза моделей физических процессов проектируемой БРЭС в составе ЭС предлагается использовать базу типовых топологических параметризованных моделей БРЭС. Проведенный в диссертации обзор экспертных систем, применяемых в процессе проектирования БРЭС таких, как LUSY_S, EMI Expert System, SPECCTRA Expert System, Knowledge-Ware, ЭкСис 1.0 показал, что применение существующих программ в рамках ИСАПР в значительной степени затрудненно т. к, в процессе консультации необходимо взаимодействовать с проблемными ОШ-/СЛ-системами, справочными БД, информационно-логическим описанием БРЭС, проводить консультацию на основе принципов СЛ15-идеологии, динамически формировать диалоги с отображением многочисленной разнородной информации в процессе консультации и т. д., что требует разработки новой ЭС тесно интегрированной с системой АСОНИКА.
На основе сделанных выводов были сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе основе цели и задач из первой главы, разработан метод автоматизированного проектирования БРЭС, основанный на поддержке принятия проектных решений, которая позволяет обеспечить электрические, тепловые, механические и др. характеристики, повысить показатели технического уровня БРЭС и уменьшить сроки проектирования БРЭС,
В рамках метода разработана информационная модель, что позволяет обеспечить логистическую поддержку автоматизированного процесса принятия проектных решений. Она включает в себя информацию о электрических, тепловых, механических и др. параметрах проектнруелюй БРЭС, формализованные описания технического задания, схемотехнической реализации, конструкции БРЭС, математических моделей физических процессов, диагностических моделей, моделей надежности и т. д.
Для использования информационной модели БРЭС в процессе принятия проектных решений была разработана соответствующая база знаний для синтеза этой модели.
Во второй главе также разработана база знаний для синтеза топологических моделей физических процессов, которая позволяет на основе информационной модели БРЭС и базы унифицированных топологических моделей синтезировать топологические модели физических процессов в БРЭС с учетом цели математического исследования характеристик БРЭС.
В рамках метода была разработана база знаний, которая позволяет автоматизировать проектные задачи выбора направлений обеспечения тепловых характеристик обеспечения тепловых режимов ЭРЭ и материалов печатных узлов, функциональных ячеек и микросборок. Особенностью базы знаний является использование информационной модели БРЭС, позволяющая обеспечить информационную поддержку процесса консультации, а также базы типовых проектных решений, настраиваемые для конкретного предприятия.
В третьей главе для реализации метода и моделей разработаны программный комплекс ЭКСПРЭС информационной поддержки принятия проектных решений как составной части системы АСОНИКА и реализованы специализирован-
15 ные базы знаний: синтеза информационной модели БРЭС; обеспечения тепловых
характеристик БРЭС. В главе отражены следующие вопросы разработки программного комплекса и баз знаний: требования к программному комплексу и базам знаний, структура и алгоритмы функционирования, особенности программной реализации.
В четвертой главе разработано методическое обеспечение автоматизированного проектирования БРЭС на ранних этапах, основанного на комплексном исследовании характеристик средствами математического моделирования и автоматизации принятия проектных решений, а также методическое обеспечения создания специализированных баз знаний направленных на обеспечение характеристик и повышение технического уровня БРЭС. Изложены экспериментальные исследования разработанных в диссертации моделей, метода и методики. Приводится описание внедрения результатов работы в практику промышленного проектирования и в учебный процесс вузов.
Автор выражает благодарность: докт. техн. наук, проф. А. В. Сарафанову за научное руководство в процессе работы над диссертацией, за постоянное внимание и направление моей научной деятельности. Автор также выражает благодарность докт. техн. наук, проф. Ю. Н. Кофанову и докт. техн. наук, проф. Увай-сову С. У. за научное консультирование по вопросам связанных с проектированием БРЭС средствами математического моделирования, а также коллективу кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МИЭМ за полезное обсуждение результатов работы. Автор признателен докт. техн. наук, проф. Кечиеву Л.Н., канд. техн. наук, доц. Тумковскому СР. и канд. техн. наук, доц. Жаднову В.В. за советы и помощь в работе.
Анализ процесса проектирования БРЭС с позиций автоматизации проектных задач, относящихся к категории эвристических
Стандартом ГОСТ 2.100-68 предусматриваются следующие стадии проектирования РЭС [1-3]; техническое задание (ТЗ), техническое предложение (ПТ), эскизный проект (ЭП), технический проект (ТП), разработка технической документации.
Из приведенных в стандарте ГОСТ 2.100-68 этапов проектирования к ранним этапам относится эскизный проект и некоторые работы технического проекта.
Эскизный проект разрабатывается, если это предусмотрено в техническом задании (ТЗ) или протоколом рассмотрения технического предложения. В ЭП проводится конструкторская проработка оптимального варианта до уровня принципиальных конструкторских решений, дающая общее представление об устройстве и принципах его работы, требования к ЭП устанавливаются ГОСТ 2.119-73. В ЭП подтверждаются или уточняются требования к РЭС, установлен 26 ные в ТЗ и ПТ. На основе проводимых работ разрабатываются новые, уточняются технические требования и новые технические параметры. Рассчитываются технико-экономические показатели, которые заложены при разработке ЭП.
Технический проект (ТП) разрабатывается в том случае, если это предусмотрено ТЗ, протоколом рассмотрения ПТ или ЭП. Требования к выполнению ТП устанавливает ГОСТ 2.120-73. В ТП должны быть решены все вопросы, обеспечивающие технический уровень нового изделия как в процессе изготовления, сборки, испытания, так и в процессе эксплуатации. Проводится детальная и окончательная отработка схемных и конструкторско-технологических решений, включая создание чертежей на все основные узлы, блоки и приборы. Должна быть закончена проработка всех вопросов защиты от внешних воздействий, доступа при ремонте и контроле, привязка к объекту установки и т. п.
К ранним этапам проектирования БРЭС относятся работы, включающие: разработку электрической схемы; разработку конструкции; обеспечение защиты конструкции от внешних и внутренних воздействий; компоновку конструктивных элементов (КЭ) на монтажном пространстве и трассировку электрических соединений; математическое исследование параметров БРЭС и другие работы, связанные с отработкой конструкторско-технологические решения. Из ранних этапов проектирования БРЭС можно выделить ряд основных работ, перечень которых приведен в табл. 1.1.
Они выполняются при помощи CAD-, С4-средств [4, 11, 13-15, 18] (управления документооборотом, компоновки ЭРЭ и трассировки электрических соединений [5-8], средств трехмерного геометрического моделирования [17], средств математического моделирования разнородных физических процессов [6,9,10, 13, 16, 70, 73,82, 85, 89, 90, 98, 99, 105, 106, 132, 133, 135, 136] и т. д.), позволяющие значительно упростить проектирование и верификацию разрабатываемой БРЭС. Однако такой подход проектирования оставляет значительное количество задач неавтоматизированных или автоматизированных частично. Такими задачами являются задачи, относящиеся к категории эвристических, в которых конструктор или схемотехник принимают решения на основе своего опыта, интуиции, какой-то подручной информации. Но такой подход не гарантирует качественного результата, увеличивает количество итераций по изменению БРЭС из-за неоптимальных решений, не позволяет принимать достаточно обоснованные решения. Ошибки, допускаемые разработчиками на этапе выполнения задач, относящихся к категории эвристических, приводят к отказам БРЭС [12], в том числе и системным отказам, вызванным одновременным действием нескольких дестабилизирующих факторов, и которые невозможно учесть в процессе испытаний БРЭС.
Обобщение приведенных отказов позволяет сделать выводы о несовершенстве современных методов проектирования БРЭС, так как согласно проведенным исследованиям [12,20,21] число системных отказов может достигать 14-30 % (см. также рис, 1.10) от общего числа отказов БРЭС. При этом устранение отказов в БРЭС сопряжено со значительными материальными затратами. проектирования ведется под управлением подсистемы АСОНИКА-У, входящей в ИСАПР на основе методик проектирования, представленных в виде IDEF/0 диаграмм. Она также включает в себя ЭМ, позволяющий аккумулировать проектную информацию о БРЭС и реализовать принципы С4Л.У-идеологии. ЭМ включает в себя электрические, тепловые, аэро-/гидравлические, механические, радиационные и другие характеристики БРЭС, функциональную, структурную, электрические принципиальные схемы, чертежи конструктивной реализации БРЭС, топологические параметризованные модели электрических, тепловых, аэро-/гидравлических, механических, и других физических процессов, трехмерные твердотельные параметризованные геометрические модели конструкции, диагностические модели, модели надежности, модели выбора программы испытаний и т. д. В состав АСОНИКА-У входит средство для трехмерного твердотельного параметризованного геометрического моделирования SolidWorks. Однако недостатком приведенного подхода к проектированию является то, что разработчик вынужден проводить технические экспертизы схемно-конструктивного построения создаваемых БРЭС и предлагать проектные решения, полагаясь только на свой личный опыт, что не позволяет эффективно применять годами накопленный на предприятиях опыт проектирования БРЭС. На ряде предприятий предпринимаются попытки решения вопросов накопления, сохранения и передачи накопленного опыта создания БРЭС, а также проектирования с использованием экспертных систем. В этой связи рядом центральных проектных организаций Министерства обороны РФ формируются базы наиболее характерных неверных проектных решений и распространяются по проектным организациям, занимающимся разработкой аппаратуры для Минобороны РФ. В табл. 1,3 [176] приведен фрагмент такой базы некорректных решений.
Базы знаний синтеза топологических моделей физических процессов, протекающих в БРЭС
Проведенный в рамках диссертационных исследований анализ процесса проектирования БРЭС показал [21, 59], что он должен вестись на базе интегрированных информационных технологий, а именно: с применением информационной поддержки принятия проектных решений и CALS-идсопопш.
Целью применения СЛ/Л-идеологии [4, 21 59, 60-62], как инструмента организации и информационной поддержки всех участников создания, производства и эксплуатации изделия, является повышение эффективности их деятельности за счет ускорения процессов исследования и разработки продукции, придания изделию новых свойств, сокращения издержек в процессах производства и эксплуатации продукции, повышения уровня сервиса в процессах ее эксплуатации и технического обслуживания.
Стратегия CALS объединяет в себя: применение современных информационных технологий; реинжиниринг бизнес-процессов; применение методов "параллельной" разработки; стандартизацию в области совместного использования данных и электронного обмена данными.
Стратегия CALS, предполагает создание единого информационного пространства (ЕИП) для всех участников ЖЦ изделия (в том числе эксплуатирующих организаций). ЕИП должно обладать следующими свойствами: вся информация представлена в электронном виде; ЕИП охватывает всю информацию, созданную об изделии; ЕИП является единственным источником данных об изделии (прямой обмен данными между участниками ЖЦ исключен); ЕИП строится только на основе международных, государственных и отраслевых информационных стандартов; для создания ЕИП используются программно-аппаратные средства, уже имеющиеся у участников ЖЦ; ЕИП постоянно развивается.
Исходя из этого, процесс проектирования БРЭС на ранних стадиях с применением CALS-технологий может быть реализован в виде схемы, приведенной на рис. 1.18 [18, 20,31, 39-42, 46, 47, 49, 50, 52, 53, 55-57, 59, 60, 62-92, 105].
В приведенной схеме участники проектирования взаимодействуют между собой через виртуальный ЭМ [65, 119], содержащий в организованном виде информацию, сопровождающую процесс разработки БРЭС на ранних этапах, в свою очередь, ЭМ реализован на базе PDM-ZPLM-СИСТЄМ [64].
ЭМ имеет структуру, приведенную на рис. 1.19, которая может изменяться в процессе проектирования БРЭС. Применение ЭС в процессе конфигурации ЭМ позволит автоматизировать принятие решений, связанных с настройкой ЭМ в соответствии с этапами проектирования, конфигурацией проектируемого БРЭС, структурой предприятия, применяемыми программами для редактирования и просмотра электронной документации БРЭС и т. д.
Разработка БРЭС в соответствии с СЛХб -идеологией включает в себя средства управления проектированием, которые могут быть реализованы на основе функциональной модели процесса проектирования, которая является типовой методикой проектирования БРЭС на ранних стадиях. Функциональные модели разрабатываются в соответствии со стандартом IDEF/0 [61]. В приведенной на используется подсистема АСОНИКА-У [78,91]. В функциональную модель данной подсистемы внесены некоторые изменения, она включает дополнительный блок, описывающий принятие решений (см. рис. 1.20). Результатом выполнения этого блока являются три состояния: «условие выполняется», «условие не выполняется» и «результат не определен». Последнее состояние показывает, что решение неоднозначно и для принятия решения вызывается ЭС.
В рамках интегрированной САПР для диагностирования БРЭС разработана подсистема АСОНИКА-Д [77, 84, 93, 94], основными функциями которой являются диагностирование БРЭС до уровня функционального узла на основе электрических и тепловых параметров БРЭС. В рамках этой подсистемы может применяться ЭС для решения следующих задач: определение причины неисправности БРЭС по изменению электрических параметров ЭРЭ или теплового поля БРЭС; выбор контрольных точек для измерения теплового поля БРЭС; определение системных отказов при одновременном действии нескольких дестабилизирующих факторов и т. д.
Применение ЭС в рамках ИСАПР приведено на рис. 1.21. Это позволяет расширить возможности ИСАПР в задачах автоматизации принимаемых проектных решений на основе информации о характеристиках БРЭС предоставляемой ИСАПР, а также на основе накопленных знаний о проектировании БРЭС, т. е. типовых решений, отработанных на предприятиях. Для упрощения получения информации ЭС о электрических, тепловых, аэро-/гидравлических характеристиках БРЭС, показателях надежности, конструктивной реализации предлагается применить информационную модель БРЭС, которая включает в себя информацию об электрических, тепловых, аэро-/гидравлических, механических, электромагнитных и других характеристиках БРЭС, формализованное описание структурной, функциональной, принципиальных электрических других схем, конструктивной реализации, топологических параметризованных моделей электрических, тепловых, аэро-/гидравлических, механических и других моделей физических процессов и т. д. Для синтеза топологических моделей физических процессов проектируемой БРЭС в составе ЭС предлагается использовать базу типовых топологических параметризованных моделей БРЭС, включающую в себя типовые модели электрических, тепловых, аэро-/гидравлических, механических и других физических процессов, протекающих в проектируемых на предприятии БРЭС.
Применение тепловизионного комплекса ТЕРМИД РЭС позволит получать теп-ловизионное поле БРЭС для автоматизации принятия решений в процессе диагностирования и испытания, например, с целью выявления характерных неисправностей» обнаружения локальных перегревов. Справочные файлы данных содержат информацию, применяемую в процессе консультации о параметрах ЭРЭ, радиоэлектронных материалах, конструктивных элементах и т. д. Результаты консультации экспертной системы отображаются в информационной модели БРЭС.
Таким образом, в этом параграфе была показана роль информационной поддержки принятия проектных решений в процессе проектирования БРЭС с применением ИСАПР БРЭС и ее задачи в ИСАПР. Применение информационной поддержки принятия проектных решений в рамках ИСАПР позволяет автоматизировать анализ множества разнородной информации, предоставляемой ИСАПР, включая исходную, выходную, справочную и на ее основе, а также опыте, накопленном на предприятиях и в отрасли, в виде типовых проектных решений. Также была показана роль СЛІЗ-идеологии в процессе проектирования БРЭС, ее связь с ИСАПР и ЭС.
База знаний принятия проектных решений с целью обеспечения тепловых характеристик БРЭС
Рассмотрим подробнее описание состава БРЭС в ИМ. Стоечные конструкции и блоки представлены следующими узлами: конструктивные элементы, конструктивные узлы (входят в состав этажа), описание каркаса и ГИМ. Стоечные конструкции, кроме того, могут иметь блоки, включенные в состав этажей.
Конструктивные элементы содержат описание амортизаторов, обособленных ЭРЭ, панелей, рассеивающих решеток, вентиляторов. Описание амортизаторов включает в себя такие параметры, как типономинал, массогабаритные характеристики, координаты расположения, коэффициенты жесткости и демпфирования и др. К обособленным ЭРЭ относятся ЭРЭ, расположенные вне конструктивных узлов. Они, в свою очередь, делятся по типам (конденсаторы, резисторы, диоды и т. д.). Рассеивающие решетки предназначены для регулирования воздушного потока и описываются следующими параметрами: площадь живого сечения, площадь отверстий, суммарный периметр, габариты, масса, координаты расположения, физические свойства материала решетки (теплопроводность, плотность, коэффициент черноты с двух сторон и т. д.). Рассеивающие решетки делятся по типу перфорации - с круглой перфорацией, перфорация прямоугольная, перфорация типа жалюзи. Вентиляторы делятся на группы с постоянным напором и постоянным расходом воздуха. Вентиляторы с постоянным напором описываются следующими параметрами: напор, типономинал, массогабаритные характеристики, координаты расположения в конструкции БРЭС, интенсивность отказов и т. д. Вентиляторы с постоянным расходом имеют аналогичное описание, но вместо напора описываются расходом воздуха.
Каркас БРЭС включает в себя горизонтальные и вертикальные стержни. Описание стержней может использоваться, например, в процессе принятия решений при помощи ЭС для защиты ЭРЭ и материалов БРЭС от механических воздействий или синтеза ММОД механических процессов БРЭС. На рис. 2.15 приведен гироинерциалный блок системы наведения ГИБ-60-1, который имеет шпильки, на которые закреплены ПУ. Стержни описываются следующими параметрами: размер полки 1, размер полки 2, толщина стержня, масса, габариты и т.д.
Гибридно-интегральные модули включают в себя описание корпуса, печатной платы, вырезов в ней, тепловых шин, ЭРЭ и т. д.
Конструктивные узлы в ИМ представлены функциональной ячейкой, печатным узлом и микросборкой. Они включают в себя описания несущего основания (для микросборки это подложка, для печатного узла это печатная плата, для функциональной ячейки несущее основание имеет сложную конструкцию, состоящую из металлического основания и приклеенных к его теплопроводности, толщину проводников, удельную теплоемкость, коэффициент заполнения проводниками и т. д., ЭРЭ (они разделяются по группам: диоды, микросхемы, бескорпусные резисторы и т.д., кроме того, печатные узлы и функциональные ячейки, включают в свой состав микросборки). Функциональные ячейки и печатные узлы могут иметь в несущем основании вырезы, которые описываются размерами (вырезы имеют прямоугольную форму) и координатой расположения. Если вырез сложной формы, то он составляется из более простых. Для функциональной ячейки вырезы могут быть в гибкой печатной плате, например, для установки в него ЭРЭ, а также в сквозном вырезе через гибкие печатные платы и металлическое основание, например, для придания формы ФЯ. Функциональные ячейки и печатные узлы могут включать тепловые шины. Шины бывают различных вариантов, что определяет описание их при помощи параметров. Общими параметрами являются: наличие или отсутствие теплостока; его температура; толщина шины; наименование материала шины; коэффициент теплопроводности, плотность материала и т, д.
Математические модели, описывающие БРЭС, имеют различное представление в ИМ. В ней могут содержаться модели: геометрические, физических процессов (электрические, электромагнитные, радиационные, тепловые, аэродинамические, механические, комплексные и др.), надежностные, диагностические, проведения испытаний и т. д. В свою очередь, они могут различаться, например, по типу протекания процесса (стационарные или нестационарные). Например, модели, представленные в виде графа, к ним можно отнести структурную электрическую схему или топологические модели аэродинамических, механических, тепловых процессов. Они могут быть представлены в виде формализованного описания узлов и ребер графов. Так, узлы описываются следующими параметрами: номер узла; наименование узла; координата расположения узла для отображения графа и т. д. Ребра описываются типом ребра (например, источник напора в аэродинамической модели или сопротивление в электрической цепи), узлами подключения, параметрами, характеризующими свойства ребра (электрическое сопротивление, плотность материала, аэродинамическое сопротивление, тепловая емкость и т. д.). Модели, представленные в виде параметризованных графов и другими способами (например, матричное уравнение, эквивалентная цепь, соединение многополюсников и т. д.), описываются в ИМ следующим образом: при помощи параметров; графического отображения вида модели; указанием путей к файлам исходных данных и результатов ММ, кроме того, указываются ссылки в ИМ, куда заносятся результаты моделирования.
Таким образом, в этом параграфе была рассмотрена ИМ, которая может быть получена путем ее синтеза базой знаний для синтеза информационной модели БРЭС. На основе ИМ при помощи ЭС будут проводиться экспертные консультации, например, по синтезу топологических моделей физических процессов или обеспечения тепловых режимов ЭРЭ и материалов КУ, рассмотренные ниже.
Разработка методики создания специализированных баз знаний для выбора проектных решений
Для отображения БЗ редактор структуры использует средства Internet Explorer 5.0 и выше. При этом для документов в форматах с расширениями HTML, HTM, MHT и других аналогичных отображается графический интерфейс БЗ, для документов в форматах с расширениями VBS, JS и прочих необходимо предварительно сделать необходимые настройки в операционной системе, иначе они будут открываться средствами, предусмотренными по умолчанию, например в редакторах языков программирования. Для БЗ с расширенными функциональными возможностями необходимо указать имя языка программирования, на котором реализована БЗ, при этом нужно строго соблюдать название языка программирования, которое используется в дальнейшем для запуска СШ#-сервера [252, 253] реализующего функции машины логического вывода. Для загрузки или сохранения разработанной структуры БЗ необходимо воспользоваться кнопками графического интерфейса пользователя - «Открыть» и «Сохранить». Атрибуты БЗ можно устанавливать путем выделения интересующей БЗ в дереве структуры и их ввода в диалоге для описания БЗ или выделив группу в которой находится интересуемая БЗ, ее атрибуты устанавливаются в таблице с перечнем БЗ выделенной группы.
Редактор словаря единиц измерения позволяет создавать или редактировать единицы измерения, используемые при описании параметров ИМ, описывает взаимосвязь единиц измерения, что позволяет проводить автоматические преобразования при запросе данных ИМ. Средства редактирования ИМ включают в себя стандартные операции редактирования узлов дерева и параметров (копировать, вставить, удалить и т. д.), средства их поиска, замены, средства ввода/изменения атрибутов узлов дерева структуры и параметров и т. д. Среда редактирования БЗ предназначена для разработки и отладки БЗ. Она реализована при помощи программы Microsoft Script Debugger версии 1.0.7295, разработанной фирмой Microsoft. Программа содержит графический интерактивный редактор для разработки графических интерфейсов с пользователем БЗ и текстовый редактор для описания формализованных знаний.
Файл данных реализует в методе ИМ, а также включает вспомогательную информацию (словари единиц измерения, структуры БЗ), используемую в процессе консультации, промежуточные выводы ЭС и прочую информацию. Информация, хранящаяся в файле данных, описана при помощи языка JOWL. На рис. 3.6 исходная информация файла данных отображается в дереве главного окна и на панели параметров, расположенной в правом верхнем углу главного окна ЭС.
Структуры БЗ представляют собой упорядоченное описание БЗ, содержащее: название темы консультации; путь к БЗ — файл специализированной БЗ, который загружается машиной логического вывода; описание БЗ — комментарий к БЗ; отображение в меню БЗ определяет, нужно ли отображать название темы консультации в меню тем консультаций ЭС; графическое изображение — изображение, которое будет отображаться в меню тем консультаций.
Базы знаний могут быть реализованы с расширенным графическим интерфейсом или с расширенными функциональными возможностями. Решения, предлагаемые в процессе консультации, оформлены в базу вариантов решений. БЗ с расширенным графическим интерфейсом реализованы при помощи следующих языков: HTML — описание графического интерфейса; VBScript, JScript и другие аналогичные - языки, на которых описана функциональная часть БЗ. БЗ с расширенными функциональными возможностями реализованы при помощи языков Visual Basic Script, Java Script и других аналогичных. Варианты решения реализованы в виде базы данных (БД) и содержат описание вариантов решений, условия применения. Описание содержит текстовое описание, графическое пояснение, изменяемые параметры конструкции в случае принятия решения и т. д. Условия применения включают в себя цель предлагаемого решения; описание возможные комбинации решений и т. д. Для примера рассмотрим один из вариантов решений - установка на ЭРЭ мини-радиатора. Исходным вариантом решения является установка ЭРЭ без радиатора. Целью предлагаемого решения является увеличение теплоотдающей поверхности ЭРЭ. Условиями применения этого варианта решения являются: корпус ЭРЭ (прямоугольный); тип КУ (ПУ, ФЯ); тип ЭРЭ (резистор, диод, индуктивность); основной вид теплоотвода (конвекция в ОС, излучение в ОС). Цель данного решения достигается посредством установки мини-радиатора на ЭРЭ. При принятии этого решения изменятся следующие параметры: высота ЭРЭ (увеличение); ширина ЭРЭ (увеличение); масса ЭРЭ (увеличение); технологический процесс установки ЭРЭ (усложнение); дополнительные элементы (мини-радиатор) и т. д.
Справочные файлы содержат справочную информацию о параметрах ЭРЭ (максимально-допустимую температуру, максимально-допустимое ускорение, теплоемкость, массу, возможные варианты установки и т. д.), конструктивных элементах (параметры мини-радиаторов, прокладок под микросхемы, унифицированных конструктивных элементов типа евромеханика, амортизаторов, вентиляторов и т. д.), радиоэлектронных материалов (тепло про водящая паста, материалы основания КУ, материалы кожуха, материалы панелей и т. д.) и т. д. Справочные файлы реализованы в виде БД.
Структуры БЗ содержат информацию, необходимую для работы машины логического вывода и составления меню консультаций. Структуры содержатся на диске в отдельном файле или в файле данных и могут быть импортированы / экспортированы в / из файл (а) данных из / в файл (а) структуры. В процессе создания файла данных при помощи ЭС эти структуры могут автоматически добавляться в файл данных. Редактирование структур БЗ осуществляется в редакторе структуры БЗ ЭС. Взаимодействие с проблемными САПР осуществляется при помощи чтения/записи файла данных или через функции и свойства СУЗЛ/-интерфейса [252, 253] ЭС.
