Введение к работе
Актуальность проблеми. Непрерывное развитие систем и устройств телекоммуникаций требует полной автоматизации процесса их проектирования для быстрого обновления телекоммуникационной техники. Внедрение новой телекоммуникационной техники предъявило к радиотехническим устройствам (РТУ) ряд непрерывно усложняющихся требований к электрическим параметрам. Возрастают и требования к габаритам и массе РТУ, а также к надежности, серийности и потреблению энергии, что обусловило необходимость использования в этих устройствах современной элементной базы. Расширение и ужесточение отмеченных требований к РТУ и значительный рост объемов научно-технической информации ставят проектировщиков РТУ в ситуацию, когда они не в состоянии традиционными методами проектировать РТУ, что в конечном итоге приводит к несоответствию принимаемых ими проектных решений уровню лучших мировых образцов средств связи. К тому же, в последние десятилетия в развитии телекоммуникационной техники стала заметна тенденция к переходу от проектирования отдельных устройств узкого назначения к проектированию сложных аппаратных комплексов, предназначенных для решения широкого круга задач в изменяющихся внешних условиях, что еще больше осложняет положение проектировщиков.
Кроме того, у проектировщиков РТУ возникла проблема: как
повысить качество первоначального технического предложения, чтобы
можно было частично или полностью исключить его отработку на
макете? Это связано с тем, что обычно первоначальное техническое
предложение весьма далеко от того, чтобы удовлетворить требования,
выдвигаемые техническим заданием на отдельное устройство, систему
или комплекс, и сильно зависит от опыта и знаний проектировщика.
Последующее же совершенствование проектируемого РТУ на макете
вовлекает в процесс проектирования значительные силы
проектировщиков и производственников, работа которых оказывается
малоэффективной из-за многочисленных и неизбежных переделок. В
результате всего этого процесс проектирования недопустимо
затягивается и становится чрезмерно дорогим, в то время как из-за
непрерывной конкуренции возрастают требования к уменьшению
времени проектирования и цены РТУ при необходимости одновременного повышения его качества.
Указанные выше тенденции заставляют разрабатывать новые методы и средства труда проектировщиков РТУ, позволяющие повысить не только их производительность труда, но и качество принимаемых ими проектных решений.
В настоящее время имеются работы в области САПР РТУ. Но эти работы малоэффективны при решении задач схемотехнического синтеза на начальных этапах проектирования, особенно для широкого класса аналоговых РТУ (АРТУ). Для АРТУ невозможно формализовать основные процедуры синтеза, которым на верхних уровнях абстракции иерархического описания АРТУ, при проектировании, присуши интуитивно-логические рассуждения и субъективные эвристические представления.
Таким образом, при проектировании АРТУ главной нерешенной
проблемой является автоматизация начальных этапов проектирования.
Ее решение позволит производить сквозное автоматическое
проектирование АРТУ, которое обеспечит повышение скорости и
качества проектирования АРТУ, а также надежность спроектированного устройства.
Решение поставленной проблемы в диссертационной работе осуществляется путем использования в разрабатываемой САПР продукционной и объектно-ориентированной экспертных систем (ЭС) , реализующих не поддающиеся формализации методики проектирования АРТУ. При этом ЭС позволяют автоматизировать процесс накопления и формализации знаний высококвалифицированных проектировщиков экспертов с возможностью их последующего использования при эксплуатации САПР пользователями невысокой квалификации.
В связи с тем, что методики проектирования АРТУ являются слабоструктурированными, для их формализации необходима структуризация АРТУ и их элементов. Это требует разработки моделей узлов и каскадов АРТУ как объектов проектирования в ЭС, учитывающих многообразие сложных взаимных связей и всесторонне раскрывающих те аспекты АРТУ, рассмотрение которых является необходимым и достаточным для конструктивной реализации процесса их автоматического проектирования.
Актуальность решаемых в диссертации задач подтверждается и тем, что работа над ней велась в рамках хоздоговорных и госбюджетных НИР.
Цель и задачи исследования. Изложенное определило цель настоящей работы, включающую разработку научно обоснованной методики автоматического экспертного схемотехнического синтеза АРТУ, моделей базы знаний (БЗ) узлов и каскадов АРТУ, базы данных (БД) компонентов АРТУ и ЭС проектирования АРТУ.
Анализ показал, что указанные проблемы вызывают необходимость решения следующих исследовательских задач:
выбор метода схемотехнического синтеза АРТУ;
обоснование эффективности применения ЭС для автоматизации проектирования;
выбор программных средств разработки ЭС в САПР;
разработка алгоритмического обеспечения синтеза структурных схем АРТУ;
разработка алгоритмического обеспечения синтеза принципиальных схем узлов и каскадов АРТУ;
создание методики применения статистических оценок в гибридной продукционной ЭС;
разработка алгоритма формирования и использования распределенной динамической реляционной БД электронных компонентов;
создание комплекса программных средств автоматизации проектирования АРТУ, включающего гибридную продукционную ЭС синтеза структурных схем АРТУ; объектно-ориентированную ЭС синтеза принципиальных схем АРТУ; БЗ моделей принципиальных схем узлов и каскадов АРТУ; БЗ методик синтеза структурных схем АРТУ в целом; распределенную динамическую БД электронных компонентов АРТУ; блок моделирования АРТУ и систему графического ввода функциональных, структурных и принципиальных схем АРТУ.
Методы исследований. При решении поставленных задач применены элементы теории вероятностей, статистической радиотехники, теории графов и теории планирования эксперимента, а также метод анализа иерархий, нотация Бэкуса, алгоритмы представления знаний в объектно-ориентированной и продукционной экспертных системах,
алгоритм упорядоченного перебора, метод перебора в глубину, язык программирования Borland Delphi, язык структурированных запросов SQL.
Научная новизна основных результатов диссертации состоит в следующем:
-
Проведенный анализ работ по автоматизации проектирования аналоговых РТУ выявил необходимость решения задачи автоматического схемотехнического синтеза широкого класса АРТУ в САПР. Рассмотрение существующих методов схемотехнического синтеза выявило целесообразность разработки ЭС для решения указанной задачи, а проведенное сравнение эффективности автоматического синтеза АРТУ в ЭС по сравнению с ручным показало, что по совокупности критериев автоматический синтез превосходит ручной в 1.8 раза.
-
Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение гибридной продукционной ЭС позволяет формализовать на языке описания правил в продукционной ЭС методики синтеза структурных схем АРТУ и провести конструктивный автоматический схемотехнический синтез АРТУ.
-
Разработан набор статистических оценок, позволяющий использовать как знания экспертов, полученные при обучении ЭС, так и знания, накопленные в ходе автоматического проектирования АРТУ в самой ЭС проектировщиками, что дает возможность быстрее и точнее формализовать субъективные эвристические знания и синтезировать АРТУ с использованием разработанной ЭС.
-
Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение объектно-ориентированной ЭС позволяет сформировать гибкую иерархическую БЗ узлов и каскадов АРТУ, а также проводить синтез принципиальных схем узлов, каскадов и всего АРТУ в делом. Оно позволяет упростить и ускорить процесс формирования БЗ за счет применения механизмов наследования, инкапсуляции и полиморфизма, а также дает возможность использовать в процессе синтеза функциональные соотношения для определения значений параметров компонентов принципиальных схем.
-
Предложенная методика использования в процессе проектирования распределенных реляционных динамических БД электрических, предельно-эксплуатационных параметров и параметров математических моделей компонентов РТУ позволяет одновременно применять их не только при моделировании, но и в процессе синтеза.
Основные положения, выносимые на защиту:
методика экономического обоснования эффективности разработки и применения систем сквозного автоматического проектирования АРТУ;
алгоритмы формирования БЗ продукционной и объектно-ориентированной ЭС экспертами - проектировщиками;
методика проектирования структурных схем АРТУ в гибридной продукционной ЭС;
методика проектирования принципиальных схем АРТУ в объектно-ориентированной ЭС;
набор статистических коэффициентов доверия к знаниям в БЗ продукционной ЭС;
программная реализация гибридной продукционной ЭС автоматического синтеза структурных схем АРТУ на языке Delphi;
программная реализация о&ъектно-ориентированной ЭС автоматического синтеза принципиальных схем АРТУ на языке Delphi;
программная реализация распределенной реляционной динамической БД параметров компонентов АРТУ на языке SQL;
интеграция блоков схемотехнического синтеза АРТУ в ЭС, моделирования АРТУ и БД в единую САПР сквозного автоматического проектирования АРТУ.
Личный вклад. Все основные научные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.
Практическая ценность. Получен ряд научных результатов, которые используются при проектировании АРТУ:
-
Создан комплекс программных средств схемотехнического синтеза АРТУ в ЭС.
-
Разработаны программные средства формирования БЗ проектирования АРТУ, обеспечивающие накопление и использование знаний экспертов-проектировщиков АРТУ.
-
Разработаны методика диалогового взаимодействия и дружественный интерфейс пользователя для формирования БЗ и проектирования в разработанных ЭС, что позволяет осуществлять проектирование и начинающему проектировщику.
-
Разработаны распределенные реляционные динамические БД электрических, предельно-эксплуатационных параметров и параметров математических моделей компонентов РТУ и компонентов систем подвижной радиосвязи.
-
Разработан блок решения математических выражений, позволяющий записывать формульные соотношения в текстовом виде, интерпретировать и вычислять их значения.
-
Введен набор статистических коэффициентов доверия, позволяющий учесть большое число эвристических факторов, влияющих на проведение синтеза структурных схем АРТУ в гибридной продукционной ЭС.
-
В разработанной ЭС синтезированы структурная и принципиальная схемы АРТУ на примере многокаскадного усилителя звуковой частоты.
Внедрение результатов работы. Проведенные исследования являются частью хоздоговорных работ с ГСПИ РТВ и ГЦУРС, выполненных в научно-исследовательской части МТУСИ, а также в рамках плановой работы МТУСИ. Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы использованы и внедрены рядом предприятий в НИР, а также в учебный процесс МТУСИ, что подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались и
получили положительную оценку на следующих конференциях и
семинарах: Международном форуме информатизации Международного
конгресса «Коммуникационные технологии и сети», межрегиональных
конференциях Московского научно-технического общества
радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова и научно -
технических и методических конференциях профессорско-
преподавательского состава, сотрудников научно-исследовательской части и аспирантов МТУСИ и МЭИ, 1996 - 1999.
Публикации по работа. По результатам диссертации опубликованы 33 печатные работы, из них 8 статей в журналах, 9 депонированных
научных работ в ЦНТИ "Информсвязь" и 16 тезисов докладов на
международных, межрегиональных и внутривузовских научно-
технических конференциях и семинарах.
Структура и объём работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка принятых сокращений, списка литературы и 6 приложений. Диссертация содержит 140 страниц основного текста, 40 рисунков и 17 таблиц. Приложения включают 8 листингов на 90 страницах. В списке литературы 127 наименований.
