Введение к работе
Актуальность темы В настоящее время во всем мире интенсивно ведутся работы по созданию волоконно-оптических систем сбора, обработки и передачи информации В таких системах используются волоконно-оптические датчики-преобразователи различных физических величин Бурное развитие волоконно-оптических систем сбора информации связано как с особенностями различных отраслей науки и техники, так и с замечательными свойствами этих систем Они искро- и пожаро- безопасны, устойчивы к электромагнитным помехам, малогабаритны, потребляют мало энергии Они также позволяют создавать как локальные так и распределенные на большом пространстве чувствительные элементы и системы непрерывного контроля Особенно перспективны волоконно-оптические датчики во взрывоопасных производствах, системах экологического мониторинга, предприятиях с вредными и пожароопасными производствами
По данным маркетингового агентства Frost&Sulhvan, ежегодные мировые продажи ВОД в последние годы составят около $2 5 млрд с ежегодным приростом 11% по всем отраслям промышленности. По оценкам Японской Ассоциации развития оптоэлектронной промышленности и технологии, к 2010 году объемы продаж ВОД возрастут до $5 млрд.
Исследованием ВОД занимались многие отечественные (В И Бусу-рин, Ю Р Носов, М М Бутусов, С Л Галкин, С П Орбинский) и зарубежные (Т Окоси, К Окамото, М Оцу, X Исихара, К Кома, К Хаттэ, Дж Стерлинг) ученые Результаты их работ используются для конструирования и расчета этих преобразователей Однако на ранних стадиях проектирования чувствительных элементов перед конструктором возникает ряд важных и трудоемких задач поиск нового физического принципа действия (ФПД), разработка конструктивного решения, сравнение нескольких решений и выбор лучшего по некоторым критериям Качество проектных решений во многом определяется результатами начальных этапов проектирования, на которых принимаются основополагающие решения о структуре и принципе действия проектируемого объекта Начальные этапы проектирования характеризуются значительными объемами информации, используемой разработчиками, большим количеством прорабатываемых вариантов реализации. Решение этих задач при отсутствии средств автоматизации процесса проектирования становится чрезвычайно сложным Поэтому для сокращения временных и материальных затрат и снижения трудоемкости процесса поискового конструирования преобразователей и их элементов актуальной становится задача автоматизации синтеза ФПД новых технических решений, что требует универсальных методов их описания Решением этой задачи занимались такие ученые как Г С Альтшуллер, Р Колер, В Н
Глазунов, А И, М Ф Зарипов, И Ю Петрова, А И Половинкин, А М Дво-рянкин, В А Камаев, С А Фоменковидр
Одним из эффективных методов решения этой проблемы является созданная М Ф Зариповым теория энерго-информационных моделей цепей (ЭИМЦ), позволяющая описывать преобразования любой физической природы с помощью уравнений, инвариантных к самой природе
Анализ патентной и научно-технической литературы показал, что волоконно-оптические датчики фазовой модуляции (ВОД ФМ) на данный момент рассматриваются как наиболее перспективные для целей метрологии измерительные устройства, способные обеспечить наибольшую чувствительность при определении параметров разнообразных физических полей
На основании теории ЭИМЦ проведены научные исследования поляризационных явлений в ВОД. Однако специфика волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции не позволяет применить полученные результаты для синтеза данного класса преобразователей В связи с этим научные исследования, направленные на моделирование и синтез волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции, являются актуальными
Объектом исследования являются волоконно-оптические датчики фазовой модуляции
Предмет исследования — модели и алгоритмы синтеза физического принципа действия волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка моделей, алгоритмического и программного обеспечения для автоматизации синтеза физического принципа действия волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе осуществляется решение следующих задач
1. Разработка энерго-информационных моделей оптических внутри-цепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции
Разработка энерго-информационных моделей оптических межцепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции
Разработка паспортов физико-технических эффектов волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции
Разработка алгоритмов синтеза физического принципа действия новых технических решений с учетом конструктивных особенностей волоконно-оптических датчиков
Создание автоматизированной системы синтеза новых технических решений на основе разработанных алгоритмов
Методы исследования Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели применялись метод энерго-информационного моделирования, методы проектирования и программирования, теория волновых оптических процессов, теория аналогии и подобия, методы многокритериальной оптимизации, методы математической статистики
Достоверность и обоснованность работы Обоснованность результатов обусловлена корректным применением указанных методов исследования, а также практическим применением результатов диссертационной работы, что отображено в актах внедрения
На защиту выносятся следующие положения: 1. Энерго-информационные модели оптических внутрицепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции
Энерго-информационные модели оптических межцепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции
Паспорта физико-технических эффектов волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции
Алгоритмы синтеза новых технических решений с учетом конструктивных особенностей волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции
5 Автоматизированная система синтеза новых технических решений
Научная новизна диссертационной работы:
Разработаны энерго-информационные модели оптических внутрицепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции с учетом распределения параметров на основе рекуррентных соотношений
Разработаны энерго-информационные модели оптических межцепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции с учетом зависимости их распределенных параметров от измеряемых внешних воздействий
Разработаны новые паспорта 7 оптических физико-технических эффектов, используемых в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции, содержащие их формализованное описание на базе специфической области знаний и теории энерго-информационых моделей цепей
Созданы алгоритмы синтеза новых технических решений, в которых для учета особенностей волоконно-оптических датчиков фазовой модуляции элементы синтеза разделены на активные и пассивные, сложные элементы декомпозированы, параметр оптического воздействия фаза используется как самостоятельный объект синтеза
Практическая ценность работы: 1 С использованием разработанных энерго-информационньгх моделей ФТЭ и созданных на их основе паспортов, пополнена база данных, что позволяет увеличить количество синтезированных решений на 20%
На основе разработанных алгоритмов создана автоматизированная система, позволяющая синтезировать волоконно-оптические датчики фазовой модуляции
Результаты работы внедрены в институте АстраханьНИПИгаз, что позволило повысить производительность поискового конструирования на 15%.
4. Предложенные модели и автоматизированная система синтеза новых технических решений используется в учебном процессе в Астраханском государственном техническом университете для преподавания дисциплин «Автоматизация проектирования систем и средств управления», «Технические средства автоматизации и управления», «Моделирование систем» на специальности «Управление и информатика в технических системах»
Личный вклад автора.
В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит проведение патентных исследований, разработка энерго-информационных моделей внутрицепных и межцепных преобразований в волоконно-оптических датчиках фазовой модуляции, разработка паспортов физико-технических эффектов, создание алгоритмов, проектирование и реализация программного обеспечения
Апробация научных результатов Основные положения докладывались и обсуждались на XVII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-18» (Казань, 2005 г ), «Международной конференции, посвященной 75-летию со дня образования Астраханского государственного технического университета (Астрахань, 2005 г), Международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине (Волгоград, 2006 г ), Международной научно-практической конференции «Электронный университет как условие устойчивого развития региона» (МЭСИ, Астрахань 2005 г), IV Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование ИТММ-2005», (Томск 2005 г), III межвузовской научно-практической конференции «Тенденции развития современных информационных технологий, моделей экономических, правовых и управленческих систем» (Рязань 2006 г), Научно-практической конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-19 (Воронеж 2006 г), X Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи» (Томск 2006 г.), Международном симпозиуме «Надежность и качество 2006» (Пенза 2006 г ), Научно-практической конференции «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» Инфо-2006 (Сочи 2006 г ), Всероссийской научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2007» (Астрахань 2007 г )
Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 15 опубликованных научных работах
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения Общий объем работы 130 страниц машинописного текста
