Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.' Автоматизированное проектирование является одниц из важнейших направлений современной научно-технической мысли. Являясь синтетический по своему существу, оно пронизывает едва ли не любую область инженерной деятельности, впитывая в себя широкий спектр теоретических н прикладных работ, как ориентированных на определенные югассы'и типы объектов, так и связанных с разработкой общих вопросов теории проектирования в целом. Чрезвычайно широк круг специалистов-, работы которых в большей или меньшей степени способствовали развитии этой области научно-технической деятельности. К их числу могут быть отнесены! Д.Аллан, Л.Б.Абрайгас, СХ.Вершиев, Ю.Л.Борисов, В.Н.Бу-сленко, Н.П.Бусленко, СИ.Геллер, Д.Горсховиц, Э.И.Гитис, В.Ы. Глушков, О.В.Голованов, Л.К.Голышев, Б.И.Ермохаев, О.П.Куразлев, М.Зелковиц, К.Зиглер, В.Н.Ильин, Ю.В.Капитонова, Р.В.Конвей, В.П.Корячко, Н.А.Лазарев, Г.М.Левин, Б.Лисков, А.Г.Мамиконов, И.П.Норенков, А.И.Петренко, Д.А.Поспелов, Г.К.Раков, В.П.Сикор-ский, В.С.Танаев, Дж.Хаббард, В.Т.ролкин, Е.А.Чахмаксаэян, Л.А.Чуа, А.Б.Юдин, О.Н.Юрин и многие другие.
Особо иирокое применение методы автоматизации проектирования (АД) находят в радиоэлектронике. С самых первых шагов по внедрении АП РЭС определились два ведущих направления, связанных с параметрическим и структурным проектированием. Параметрический синтез в рамках АЛ стал развиваться на основе традиционных разделов математики, опирающихся на привычные представления непрерывных функций. 3 то ке время структурное проектирование, особое значение которого определяется тем, что именно структура любого объекта несет в себе основную информацию о его функциональном назначении, адекватного готового формального аппарата не получило. Качественного многообразие структурных объектов, их принципиально дискретный характер, отсутствие апробированных подходов к формализации и доступных методов решения закрепило за проблемами структурного синтеза репутацию неописываемых и неразрешимых задач. Создалось мнение, что область"структурного синтеза является именно той областью, которая должна быть исключительным уделом творческих возможностей человека. Использование в неко-
- ч -
торых САПР непосредственного сравнения машинных моделей различных структурных решения казалось верхом автоматизации.
Незавершенность общей теории проектирования в- части структурного проектирования в немалой степени связано с тем, что современные достижения в области формальной логики, используемой для представления дискретных объектов, в частности структур, относятся в основном к дедуктивной ее части, а формальная логика индукции только еще начинает свое развитие. Вследствие этого и вычислительные средства находят свое применение только для решения задач сопоставительного анализа, а формирование образа всего проектируемого объекта, как и ранее, остается за человеком. Тогда же, когда производятся попытки синтеза структур в тех или иных частных ситуациях, обнаруживается трудности, связанные с чрезвычайной вариабельноcibD структур и комбинаторным характером -возникавших при этом задач. Последнее при достаточной размерности отождествляется с практической неразрешимостью.
Тем не менее, на пути решения проблемы формализации и автоматизации структурного синтеза в последней время открываются новые воз'можности. Одна из них связывается с аналогиями, которые обнаруживаются между процессами проектирования технических и программных объектов. При проектировании последних все с большим успехом используется рад абстрактных процедур, позволяющих с достаточно строгой дисциплиной осуществлять такие общие подходы к организации процесса проектирования как нисходящее и восходящее проектирование, декомпозиции и композиции, базирующиеся на идее формальной спецификации объектов проектирования. Новые конструктивные возможности к решению задач высокой размерности обнаруживаются и в комбинаторной математике.
Бее это в целом позволяет ожидать новых перспективных решений и в области общей теории структурного синтеза как основы развития в дальнейшем соответствующих средств автоматизации проектирования.
ЦЕПЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является разработка концептуальных и методологических основ теории структурного синтеза для достаточно широкого класса объектов проектирования в составе радиоэлектронных систем. Для достижения поставленной цели должны были быть решены следующие задачи:
I. Исследование условий и средств формализации процесса поиска проектных структурных решений для РЭС и их компонентов различной природы и сложности с целью построения основ теории авто-
матизировакного синтеза структур технических, программных и информационных объектов ГЭС.
-
Выявление характерных особенностей объектов РЭС технического, программного и информационного типов, объединяющих их в общий класс объектов, допускающих методологически единую формализацию структурного синтеза.
-
Разработка методов и средств перехода от предметного описания объектов РЭС различной природы к их формальному представлению как объектов структурного поиска.
-
Разработка и исследование представления качества структур РЭС и их компонентов - структурных целевых "и критериальных функций, их формы, их технической или физической интерпретации, свойств, пространства их определения.
-
Постановка и разработка общих методов представления задачи поиска структурных проектных решений как задача дискретной оптимизации.
-
Разработка и исследование методов и средств определения сложности задачи структурного поиска с целью выбора рационального варианта метода решения по сложности и качеству самого реч шения.
-
Разработка, исследование и сравнительная оценка различных методов решения собственно задачи структурного поиска.
-
Разработка на основе предложенных методов формализации и решения задачи структурного поиска процедур автоматизированного синтеза структур.
-
Разработка на основе предложенных теоретических методов и автоматизированных процедур практической технологии поиска структурных решений.
10. Исследование прикладных аспектов теории автоматизирован
ного поиска структурных решений применительно к конкретным ти
пам объектов РЭС.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В основе методологического обеспечения работы лежит комплексное использование ряда научных дисциплин, естественно связанных с общей теорией проектирования. Так, для представления статических объектов проектирования привлекались методы и средсгва теории сложных систем, графов и сетей, матриц; для описания динамических объектов - теория расписаний, алгебра отношений, теория формальных грамматик и языков. Разработанные операционные средства в значительной стэпеш базировались на теории комбинаторики, оптимизации, алгебры высказываний, средст-
вах численной математики. Получение некоторых прикладных результатов потребовало обращения к методам прикладного программирования, теории вероятностей и математической статистики.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. В работе предлагается совокупность новых научных результатов и методических средств. Вместе с тем ряд известных методологических приемов впервые используется в соот-ветствувдем объеме и конкретном контексте.
Методологическая новизна определяется как выбором методов и средств, так и областью, последовательностью и глубиной их использования. Общей особенность» исследования является опора на идею глубокой структурализации, характерной для теории программирования, и ее распространение на процессы проектирования объектов РЭС технического и информационного типов. Для работы в целом характерно постоянное использование алгоритмических средств представления и преобразования форм моделей объектов: проектирования РЭС, что в наибольшей степени согласовывается с машинными средствами автоматизации проектирования. Новым является использование средств комбинаторики как ведущего конструктивного математического аппарата. Это обеспечивает возможность поиска структурных решений и в области, недоступной для регулярных подходов. Работа также в значительной степени использует и эвристические процедуры, что способствует согласованию машинных и человеческих методов решений.
К новым научным результатам может быть отнесено выделение мощного класса объектов проектирования РЭС различной природы (технической, информационной, программной), допускающих свое представление в алгоритмической форме. Для таких объектов определена некоторая единая исходная формализация, обеспечивающая возможность автоматизации поиска структурных решений на основе комбинаторных методов. Разработаны функциональные основы поиска структурных решений - структурные целевая и критериальные функции. Сконструировано пространство их определения - метрическое комбинаторное пространство. Разравотаны комбинаторные методы поиска структурных решений в САПР (детерминированные и эвристические) и средства оценки их сложности. Определены основные этапы технологического процесса структурного поиска в рамках САПР. Показаны примеры получение структурных решений при проектировании объектов различной природы (алгоритмы и программы для систем автоматизированного контроля РЭС, структуры электронных информационно-измерительных устройств, логические структуры данных целевого наз-
начения).
Полнота полученных новых научных результатов позволяет рассматривать их в целом как основы теории комбинаторного поиска структурных решений для объектов проектирования, допускающих свое представление в алгоритмической форме:, в САПР ЕЭС.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Принятая в работе алгоритмическая форма представления всех без исключения процедур поиска структурных решений и оценки сложности непосредственно обеспечивает В03М0Ж-ность их практической реализации. Это справедливо по отношению к любым типам лингвистического, программного и операционного обеспечения, а также любым типам современных ЭВМ, могущим входить в состав САПР РЭС. Это определяет возможность включения подсистемы структурного проектирования практически в любую САПР. Такая возможность подтверждается на примере разработки соответствующего пакета программ с общим числом модулей около 40 и объемом свыше 60 кБ, выполненного на языке Паскаль для ЭВМ класса СМ-4 для САПР АСПАП.
Вместе с тем разработанные методы и средства позволяют упорядочивать и систематизировать процесс "ручного" проектирования, что должно повышать качество его результатов.
РЕАЛИЗАЦИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ. Результаты представленного исследования в основном своем объеме были получены и внедрены в ходе проведения многих научно-исследовательских работ, совместно выполнявшихся с рядом организаций и предприятий Ыинрадиопрома, Минавиапроыа, Минздрава и Минсельхоза СССР в рамках соответствующих хоздоговорных, госбюджетных работ, а также работ по соцсодружесгву.
Так, результаты работ по синтезу оптимальных структур программ и устройств автоматизированных систем контроля (АСК) были получены в ходе выполнения совместных работ с НПО "Яенинец" (г.Ленинград) в течение 1964 - 1982 г.г. в рамках х/д НИР 0532-403-64, 0933-403-66, 0255-403-68, 0569-403-69 и ОКР 1165-403-79, выполнявшихся в соответствии с МАП-ЫРП-ВВС-ПВО-МинВУЗ СССР "Решением по обеспечению внедрения в эксплуатацию наземной автоматизированной системы контроля Г00І-І" от 29.05.69. В частности, эти ре-зультаты нашли свое применение в подсистемах ЕГО.0002-01, ЕГО. 0004-01 и находятся в эксплуатации на предприятии в системе автоматизированной разработки математического обеспечения ЕГ.001-01.
Аналогичные работы проводились совместно с НПО "Вега" (г.Москва) в рамках х/д НИР 0860-403-66, 0248-403-68 и 599-403-69. Результаты работ нашли свое применение в изделии 43-39 и в нахо-
дящихся в настоящее время в эксплуатации АСК "Щит", "Дельфин", и "Камертон".
Работы по созданию САП? АСПАП (Автоматизированная Систеш Проектирования Алгоритмов и Програш) проводились совместно с НПО "Фазотрон" (г.Москва) в рамках х/д НИР 2023-403 и др. В это же время общие вопросы автоматизированного структурного проектирования разрабатывались в г/б НИР 403-13"П".
Обобщение перечисленных работ с разработкой единой технологии проектирования структур программ контроля и управления бортового оборудования ЛА проводилось по техническому заданию НПО "Зенит" (г.Москва) в г/б ШР 403-15-"Пи.
Наряду с перечисленными работами в области автоматизации проектирования структур программ выполнялся комплекс работ по разработке структур типовых электронных приборов автономного использования для классификации функционального состояния различных биообъектов. Так, в рамках договора 48-12-81 о соцсодружестве совместно с Московской ветеринарной академией им. К.й.Скрябина Ыин-сельхоза СССР разрабатывались и внедрялись приборы автономного использования для электронной диагностики и стимуляции сельскохозяйственных животных. Одновременно аналогичные совместные работы (договора о: соцсодружестве с Институтом медико-биологических проблем Минздрава СССР 004-84-"КС" и 00Е-88-"КС") проводились по направлению ИНТШЮСЫОС и Ей? "Сфорт" по разработке средств контроля и стимуляции функционального состояния биообъектов в условиях стресса и радиационного воздействия. Многие технические разработки в этой области неоднократно экспонировались на различных междунородных, союзных и республиканских выставках и участвовали в конкурсах, на которых награждались медалями и дипломами. На один из приборов этого типа Комиссией ш новой технике Минздрава СССР в 1986 г. были утверждены Медико-технические требования с рекомендацией выпуска этого прибора опытной серией.
Ряд теоретических, ^практических разработок по теме, диссертации нашли свое рименеяиев подготовке молодых специалистов на факультете радиолектроники летательных аппаратов МАИ в дисциплинах "Теоретические основы САПР", "Математические основы функционального и. конструкторско-технологического проектирования с применением САПР", Основы автоматизации проектирования РЗА" и др.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы докладывались и обсуждались на:
- Первой научно-технической конференции молодых специалистов:
Киевского завода электронных и управляющих машин "Проектирование, производство и применение электронных вычислительных машин", Киев, май 1966 г.;
IX Всесоюзной конференции по автоматическому контролю и методам электрических измерений. Новосибирск, сентябрь 1968 г.;
ХХІУ Всесоюзной научной сессии, посвященной дню радио, дню связиста и 50-летию нижегородской радиолаборатории им.В.И.Ленина. Москва, 1968 г.;
II Всесопзной межвузовской научно-технической конференции по проблемам повышения надежности электро- и радиотехнических изделий. Ленинград, 1968 г.;
I Всесоюзном совещании по технической диагностике. Москва, 1969 г.; -
XX научно-технической конференции го метрологическому обеспечению предприятий и организаций. Москва, п/я А-7866, ноябрь 1974 г.;
Всесоюзном совещании-семинаре "Технические, и прикладные вопросы разработки, внедрения и эксплуатации САПР РЭА. Алушта, сентябрь 1979 г.;
Межвузовсхой конференции по методам и системам технической диагностики. Саратов, 1980 г.;
Всесоюзном совещании-семинаре "Технические и прикладные вопросы разработки, внедрения и эксплуатации САПР РЭА. Ереван, март 1983 г.;
семинаре "Техническая диагностика и эффективность систем управления". Ленинград, апрель 1983 г.;
Всесоюзном совещании-семинаре "Технические и прикладные вопросы разработки, внедрения и эксплуатации САПР РЭА. Одесса, сентябрь 1984 г.;
XI Научно-технической конференции НТОРЭС, посвященной дню радио. Ыосква, апрель 1985 г.,
ПУБЛЙКАЦЖ. По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, в том числе две монографии. Список публикаций, представляющих основные результаты исследования, приводится в конце автореферата.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Основное содержание работы изложено на 299 страницах машинописного текста и иллюстрируется 114 рисунками и 22 таблицами. Приложения содержат 25 страниц машинописного текста,
иллюстрированы 4 рисунками, 2 таблицами и 29 листами программного листинга. Список литературы насчитывает 171 наименование. 0СН0БНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВШООШЫБ НА ЗАЩИТУ.
-
Основы теории комбинаторного поиска структурных проектных решений для объектов проектирования технического, программного и информационного гидов, вгодящих в состав РЭС и допускающих свое представление в алгоритмической форме.
-
Основы технологии автоматизированного синтеза структур объектов. РЭС и их компонентов технического, программного и информационного типов, допускающих свое представление в алгоритмической форме.
-
Практическую версия подсистемы автоматизированной поддержки формального синтеза структурных объектов в САПР РЭС.
