Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы и задачи синтеза типоразмерных рядов многоуровневых базовых несущих конструкций 14
1.1. Прогнозирование направлений развития БНК как сложных иерархических систем 14
1.2. Общесистемная математическая постановка задач многокритериального синтеза типоразмерных рядов БНК 22
2. Математические модели многокритериального синтеза типоразмерных р5щов базовых несущих конструкций 31
2.1. Статистическая оценка трудоемкостей проектирования и подготовки производства системы структурных модулей БНК 31
2.2. Статистическая оценка трудоемкости производства системы структурных модулей БНК 37
2.3. Статистическая оценка трудоемкости производства коммутационных плат 42
2.4. Статистическая оценка трудоемкости электромонтажа блоков БНК 48
2.5. Статистическая оценка адаптационных потерь при внедрении системы структурных модулей БН 52
3. Алгоритмы многокритериального синтеза типоразмерных радов базовых несущих конструкций 58
3.1. Принципы алгоритмического решения задач многокритериального синтеза типоразмерных рядов системы структурных модулей БНК 58
3.2. Общесистемный алгоритм многокритериального синтеза типоразмерных рядов БНК 64
3.3. Алгоритм многокритериального синтеза типоразмер ногоряда коммутационных плат 74
4. Программы и примеры решения задач многокритериального синтеза типоразмерных рядов базовых несущих конструкций 80
4.1. Программное обеспечение многокритериального синтеза типоразмерных рядов системы структурных модулей БНК 80
4.2. Система БНК радиоэлектронных средств для АСУ производственно-технологического назначения 83
Заключение 88
Приложение 90
Список литературы 98
- Прогнозирование направлений развития БНК как сложных иерархических систем
- Статистическая оценка трудоемкостей проектирования и подготовки производства системы структурных модулей БНК
- Принципы алгоритмического решения задач многокритериального синтеза типоразмерных рядов системы структурных модулей БНК
- Программное обеспечение многокритериального синтеза типоразмерных рядов системы структурных модулей БНК
Введение к работе
В настоящее время решение комплексной проблемы существенного ускорения социально-экономического развития страны непосредственно связано с радикальным повышением эффективности и темпов роста масштаба отечественного производства конкурентноспособных изделий новой техники во всех отраслях промышленности. Одним из ключевых направлений успешного решения этих задач является разработка и широкое внедрение высокоэффективных автоматизированных систем управления (АСУ) различного производственно-технологического назначения. При этом главной задачей становится создание принципиально новых методов и средств проектирования этого особого и, в настоящее время, важнейшего и перспективного класса АСУ.
Мировая практика совершенствования АСУ производственно-технологического назначения показывает, что эффективность внедрения достижений науки и техники, прежде всего в микроэлектронике, схемотехнике и технологии, в значительной степени зависит от их конструкторской реализации при создании радиоэлектронных средств (РЭС), которые занимают центральное место среди различных классов технических средств АСУ как по наиболее широкому диапазону выполняемых функций, так и по объему серийного производства. При этом определяющие возможности конструирования закладываются на этапе синтеза типоразмерных рядов базовых несущих конструкций (БНК), которые предназначены для размещения и электрического соединения различных электронных модулей (ЭМ) РЭС, а также обеспечения их защиты от внешних и внутренних дестабилизирующих воздействий. Такое положение свидетельствует о том, что БНК являются тем конструктивным ядром, которое обеспечивает радикальное и рентабельное решение мно-
гих комплексных задач проектирования РЭС для АСУ производственно-технологического назначения (например, снижения себестоимости и повышения функциональной емкости).
Вместе с тем, недостаточность априорной информации, вызванная, главным образом, отсутствием схемотехнических решений конкретных ЭМ РЭС на этапе синтеза типоразмерных рядов БНК, дискретность большинства их параметров, тенденция к построению унифицированной системы БНК и многие другие специфичные для перспективных РЭС АСУ факторы определяют сложность и ответственность процесса создания БНК как сложных иерархических систем. Причем, этот процесс носит, как правило, оригинальный, поисковый и долговременный характер, а перспективность принятых на этапе синтеза типоразмерных рядов БНК технических решений определяет «время жизни» как непосредственно системы БНК, так и создаваемых на их основе РЭС для АСУ производственно-технологического назначения.
Существующие методы и средства конструирования, в основе которых лежит преимущественно эвристический подход, не позволяют не только создавать принципиально новые высокоэффективные системы БНК РЭС АСУ, но и обеспечивать достаточно быстрое их совершенствование на базе традиционных технических решений. Возникающее при синтезе типоразмерных рядов системы БНК множество разноплановых и противоречивых конструкторских задач требует выработки такого подхода и такой методики, которые бы гарантировали получение оптимального решения в целом и ускоряли бы в несколько раз темпы синтеза при одновременном снижении затрат. Возможности для этого постоянно расширяются благодаря интенсивному развитию средств вычислительной техники и прогрессу общей теории автоматизированного проектирования РЭС различного схемотехнического и эксплуатационного назначения.
Системные исследования складывающихся в настоящее время условий создания БНК РЭС АСУ показывают, что сущность целесообразного подхода к синтезу тилоразмерных рядов системы структурных модулей разного уровня иерархии БНК заключается, в конечном счете, в разработке и внедрении интегрированной системы автоматизированного оптимального проектирования БНК РЭС АСУ, позволяющей оперативно синтезировать унифицированные комплексы структурных модулей БНК, построенных на единых несущих элементах конструкции для различных классов РЭС АСУ производственно-технологического назначения.
Актуальность решения задач синтеза оптимальных тилоразмерных рядов системы структурных модулей БНК РЭС для АСУ производственно-технологического назначения подтверждается комплексом НИОКР, проводимых ведущими предприятиями и организациями Российского агентства по системам управления в рамках «Межотраслевой программы комплексной унификации, стандартизации и развития БНК РЭС», федеральных программ Российского агентства по судостроению и Российского авиакосмического агентства, и программы Госстандарта РФ «Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж электронных модулей», утвержденных постановлениями Правительства РФ в 1998... 2000 годах.
Целью диссертации является разработка математических моделей и алгоритмов для автоматизированного синтеза оптимальных тилоразмерных рядов системы БНК перспективных РЭС АСУ производственно-технологического назначения. В соответствии с этим в диссертационной работе ставились и решались следующие основные задачи:
проведение системного анализа тенденций развития отечественных и зарубежных БНК РЭС АСУ производственно-технологического назначения за последние два десятилетия и выработка статистических зависимостей для
расчета и прогнозирования определяющих показателей качества БНК как сложных иерархических систем;
построение целевой функции многокритериальной оптимизации и математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза ти-поразмерных рядов конструктивных модулей и системы БНК в целом для перспективных РЭС АСУ производственно-технологического назначения;
разработка и выбор пригодных для алгоритмизации задач синтеза математических моделей основных несущих элементов и структурных модулей системы БНК, учитывающих зависимости между их определяющими параметрами и показателями качества;
разработка принципов алгоритмизации системы БНК и алгоритмов синтеза типоразмерных рядов модулей БНК с позиций достижения рационального компромисса между требованиями максимальной функциональной емкости РЭС АСУ и минимизации затрат на проектирование, подготовку производства, производство и внедрение;
разработка и внедрение специального программного обеспечения многокритериального синтеза типоразмерных рядов БНК с учетом совокупности экономических, схемотехнических, конструктивных, технологических и других критериев качественного и надежного функционирования РЭС АСУ производственно-технологического назначения.
Теоретические исследования диссертационной работы строятся на основе методов анализа сложных систем, исследования операций, математического программирования и современных методов вычислительной математики. В работе используются элементы теории множеств, теории алгоритмов, а также общие вопросы теории и методов конструирования и технологии производства РЭС.
В диссертационной работе впервые предложены, разработаны и внедрены специализированные математические модели, алгоритмы и программы для автоматизированного синтеза типоразмерных рядов БНК как сложных иерархических систем с комплексным учетом реальных условий проектирования, подготовки производства, производства и эксплуатации перспективных РЭС АСУ производственно-технологического назначения. Научная новизна работы заключается в следующих основных результатах, полученных лично автором.
Предложены критерии, состав ограничений и переменных оптимизации типоразмерных рядов модулей БНК различных иерархических уровней и их совокупности; сформулирована общесистемная математическая постановка задач структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных типоразмерных рядов БНК, которая комплексно учитывает практически важные экономические, схемотехнические, конструктивные, технологические и другие требования всех этапов создания и эксплуатации перспективных РЭС АСУ.
Разработан единый комплекс статистических математических моделей, которые, адекватно учитывая реальные условия многокритериального синтеза типоразмерных рядов системы БНК, позволяют рассчитывать трудоемкости проектирования, подготовки производства и непосредственно производства коммутационных плат (КП) и модулей БНК различного уровня иерархии, а также определять адаптационные потери при внедрении синтезированных типоразмеров КП и структурных модулей системы БНК в конкретных разработках ЭМ и РЭС в целом. При этом разработанные математические модели в сочетании с выбранными физико-математическими моделями БНК (электромагнитными, топологическими, теплофизическими, механико-прочностными и другими) обеспечивают построение эффективных общесис-
темных и частных алгоритмов синтеза при неполной априорной информации и высокой размерности задач поиска оптимальной структуры и параметров типоразмерных рядов системы БНК.
Предложены принципы алгоритмизации и детально разработанный общесистемный алгоритм структурного и параметрического многокритериального синтеза типоразмерных рядов системы БНК на основе функционально-стоимостного анализа, которые позволяют построить унифицированную систему БНК перспективных РЭС для АСУ различного производственно-технологического назначения, обеспечивающую минимизацию затрат на их создание, внедрение и модернизацию при выполнении требований повышения функциональной емкости, качества и надежности.
Разработан на детальном уровне алгоритм автоматизированного многокритериального синтеза оптимального типоразмерного ряда КП, который позволяет в условиях заданных ограничений и набора альтернативных конструктивно-технологических решений определить комплекс оптимальных метрических и структурных параметров для КП в синтезированном ряду: размеры электромонтажного поля для размещения и 100%-й трассировки изделий электронной техники (ИЭТ), размеры конструктивных и технологических зон, способы обеспечения нормального теплового режима и механической прочности, и другие параметры КП. Этот алгоритм может быть положен в основу многокритериального синтеза оптимальных типоразмерных рядов структурных модулей системы БНК при отсутствии ограничений на габаритные размеры модуля высшего уровня иерархии.
На защиту выносятся следующие новые научные положения.
1. Разработанные принципы, методы, модели и алгоритмы структурного и параметрического многокритериального синтеза типоразмерных рядов БНК с позиций функционально-стоимостного анализа позволяют находить эффек-
тивные компромиссные конструктивно-технологические решения в интересах всего процесса синтеза оптимальных типоразмерных рядов структурных модулей БНК как сложных иерархических систем за счет комплексного согласования метрических и стоимостных критериев, учитывающих практически необходимые условия проектирования, производства и эксплуатации БНК перспективных РЭС для АСУ производственно-технологического назначения.
Построенная единая математическая модель БНК как сложной системы, комплексно учитывающая затраты на проектирование, производство и внедрение типоразмерных рядов структурных модулей БНК, а также объединяющая процессы моделирования электромагнитной совместимости, нормального теплового режима, механической прочности и других свойств, характеризующих отдельные аспекты надежного и качественного функционирования БНК, ЭМ и РЭС в целом, создает возможность для эффективной реализации процесса многокритериального синтеза унифицированной системы БНК для различных классов РЭС АСУ производственно-технологического назначения.
Разработанный общесистемный алгоритм многокритериального синтеза типоразмерных рядов структурных модулей любого уровня иерархии БНК и их совокупности, основанный на применении метода математического программирования - метода многократного отсечения по множеству разнородных и противоречивых критериев, эвристических приемов направленного перебора возможных вариантов и автоинтерактивного режима обработки информации, обеспечивает решение задач структурного и параметрического синтеза оптимальных типоразмерных рядов системы БНК за практически приемлемое время на современных ЭВМ в условиях недостаточной априорной информации и высокой размерности пространств поиска при решении этих задач.
4. Разработанный алгоритм структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимального типоразмерного ряда КП с использованием ортогонального печатного электромонтажа, а также разработанных и обоснованно выбранных принципов, методов и математических моделей, отражающих всю полноту реальных схемотехнических, конструкторских и технологических условий проектирования перспективных БНК при размещении в них заданного набора ЭМ РЭС, позволяет организовать автоматизированный синтез оптимальных типоразмерных рядов структурных модулей всех уровней иерархии системы БНК при незаданных ограничениях на габаритные размеры модулей высшего уровня.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании методов и средств автоматизированного структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных типоразмерных рядов системы БНК для перспективных РЭС АСУ производственно-технологического назначения. Практические результаты работы используются при создании системы новых государственных стандартов в соответствии с «Межотраслевой программой комплексной унификации, стандартизации и развития БНК РЭС» Российского агентства по системам управления и программой Госстандарта РФ «Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж электронных модулей». Результаты работы используются в учебном процессе Северо-Западного государственного заочного технического университета, Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета и Одесского государственного политехнического университета.
Результаты диссертационной работы в виде разработанных и программно реализованных алгоритмов структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных типоразмерных рядов системы БНК были использованы при создании ведущими предприятиями Российского
агентства по системам управления унифицированной системы БНК для различных классов РЭС АСУ производственно-технологического назначения, соответствующей перспективным стандартам МЭК и не уступающей лучшим мировым аналогам. Результаты диссертационной работы в виде математических моделей, алгоритмов и программ также используются в НИОКР, проводимых предприятиями Российского агентства по судостроению и Российского авиакосмического агентства, что подтверждается соответствующими актами внедрения (см. «Приложение»).
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на межотраслевой НТК «Научно-технический прогресс систем передачи информации» (г.Пермь, 6... 11 сентября 1996 г.); на 3-й международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (г. Санкт-Петербург, 17... 19 июля 1998г.); на 3-й международной НТГК «Современные информационные и электронные технологии» (г. Одесса, 21... 24 мая 2002 г.); на 6-й международной НІЖ «Системы и средства передачи и обработки информации» (г. Одесса, 3... 8 сентября 2002 г.); на НТК профессорско-преподавательского состава СПб. ВУЗов (1996,..2002 г.г.).
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 1 книга [96... 108].
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложения. Основной текст изложен на 82 страницах. Работа содержит 2 таблицы и 12 рисунков. Список литературы включает 108 наименований отечественных и зарубежных публикаций.
В первом разделе на основе системного анализа тенденций развития БНК РЭС для АСУ производственно-технологического назначения, разработанных отечественными и зарубежными предприятиями за последние два десятилетия, сформулированы перспективные направления развития и получе-
ны зависимости для расчета и прогнозирования определяющих показателей качества БНК, а также дана общесистемная математическая постановка задач многокритериального синтеза оптимальных типоразмерных рядов системы структурных модулей БНК.
Во втором разделе разрабатываются математические модели для расчета, анализа и оптимизации трудоемкостей проектирования, подготовки производства и непосредственно производства системы структурных модулей БНК, и адаптационных потерь при внедрении синтезированных типоразмеров модулей.
В третьем разделе разрабатываются принципы алгоритмического решения задач структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных типоразмерных рядов БНК как сложных иерархических систем, а также общесистемный и частный алгоритмы синтеза типоразмерных рядов системы структурных модулей БНК и КП.
В четвертом разделе приведены результаты разработки и внедрения специального программного обеспечения для решения задач многокритериального синтеза типоразмерных рядов КП и системы БНК в целом, и приведено описание унифицированной системы БНК перспективных РЭС для АСУ производственно-технологического назначения, которая разработана с использованием результатов диссертационной работы.
В заключении сформулированы основные научные и практические результаты работы.
В приложении даются сведения, подтверждающие использование полученных результатов в различных отраслях промышленности и ВУЗах.
1.4
Прогнозирование направлений развития БНК как сложных иерархических систем
Правильный выбор методов и средств синтеза перспективных типораз-мерных рядов БНК должен опираться на всестороннее и точное исследование направлений и закономерностей развития БНК РЭС с учетом взаимосвязи основных этапов создания и эксплуатации АСУ [1...4]. В связи с этим представляется целесообразным проследить изменение структуры и определяющих уровень разработки показателей качества БНК, созданных отечественными и зарубежными предприятиями за последние два десятилетия.
Одним из главных достижений этого времени явилось совершенствование и широкое распространение базового метода конструирования [5...9], в основу которого положен принцип разделения РЭС на функционально и конструктивно законченные части (модули). Согласно этому принципу для современных РЭС АСУ, занимающих одно из ведущих положений среди различных классов РЭС, можно установить следующие уровни иерархии БНК с учетом [10,11] и специфики развития АСУ производственно-технологического назначения.
Модуль первого уровня (блок) - основная сборочная единица, служащая для размещения и электрического соединения ИЭТ функционально законченных устройств, не имеющих самостоятельного эксплуатационного назначения.
Модуль второго уровня - сборочная единица для размещения и электрического соединения модулей первого уровня и образования функционально законченных устройств, имеющих (например, настольный прибор) или не имеющих (вставной каркас) самостоятельного эксплуатационного назначения.
Модуль третьего уровня - сборочная единица, служащая для размещения и электрического соединения модулей второго уровня и образования функционально законченных устройств, имеющих самостоятельное эксплуатационное назначение (например, стойка и пульт).
На рис. 1.1 показана система БНК, нашедшая наибольшее применение в современных РЭС АСУ производственно-технологического назначения, создаваемых отечественными и зарубежными предприятиями.
Многообразие видов БЫК (см. рис. 1.1) ведет к мелкосерийности выпуска РЭС и, следовательно, препятствует повышению эффективности разработки, производства и эксплуатации АСУ в целом. Поэтому в мировой практике широкое применение получили унификация, типизация, агрегатирование и ограничение как методы, обеспечивающие рациональное сокращение количества типов и типоразмеров конструктивных элементов, деталей и сборочных единиц всех структурных уровней БНК [12... 17]. Используя эти методы, многие ведущие фирмы разрабатывают системы БНК. предназначенные для применения в РЭС различного назначения и являющиеся основой для создания модификации производственно-технологических АСУ. Например, фирмами Western Electric Company (США), Siemens (ФРГ), Ericsson (Швеция), Nokia (Финляндия), NFC (Япония), Philips (Нидерланды) и Schroff Group (Великобритания) разработаны лучшие мировые обрашы систем БНК производственно-технологического назначения.
Проведенный анализ информационного материала [5,7,9,13...45] и его обработка с помощью методов математической статистики (в частности, метода наименьших квадратов [46]) позволяют количественно оценить дости Следует отметить, что стоечные БНК занимают в настоящее время в общем объеме производства всех типов БНК РЭС для АСУ производственно-технологического назначения более 60 %.
Общий анализ полученных и представленных в табл.!.! количественных характеристик развития БНК с учетом данных их прогнозирования на ближайшую перспективу позволяет конкрегшировать пути повышения качества функционирования и экономической эффективности БНК РЭС для АСУ производственно-технологического назначения.
Важнейшим направлением является максимальное использование полезного объема БНК РЭС для размещения применяемых в них ИЭ Г, испыты ваюицих внутренние и внешние дестабилизирующие воздействия (механические, электромагнитные, тепловые и другие), особенности которых в наибольшей степени определяются объектом-носителем, схемотехническим назначением и элементной базой РЭС. Перспективными мерами здесь представляются следующие: - комплексная миниатюризация на основе уменьшения размеров несущих элементов, обеспечения возможности использования миниатюрных электросоединителей и кабельных изделий, уменьшения шагов установки ИЭТ на КП и других технических решений: - создание БЫК, обладающих гибкой компоновочной схемой при одновременном использовании минимального числа типоразмеров структурных модулей и КГІ с максимально увеличенными размерами электромонтажного тюля.
Реализация указанного направления зависит от решения многих проблем (например, электромагнитной совместимости, механической прочности, нормального теплового режима), связанных с внедрением ИЭТ высокой степени интеграции, усложнением условий эксплуатации, и требует расширения возможностей технологии, создания новых материалов с улучшенными механическими и теплофизическими характеристиками и пр.
Однако, в настоящее время главным направлением является снижение трудоемкости создания и внедрения как самих БИК, так и разрабатываемых на их основе РЭС. Это может быть обеспечено повышением технологичности БНК, уменьшением числа типоразмеров КП и структурных модулей с переходом к комплексной автоматизации проектирования и производства. Здесь уместно подчеркнуть, что создание цифровых и аналоговых ИЭТ высокой степени интеграции с одновременной стандартизацией их габаритных и установочных размеров, развитием технологии электромонтажа ИЭТ и методов контроля его качества, принципиально облегчая решение проблем, обусловливает в то же время повышение экономической эффективности БНК.
Очевидно, что быстрое развитие БНК в сформулированных выше перспективных направлениях требует принципиальных изменений в традиционных средствах и методах их проектирования.
Основные работы по БНК РЭС [5, 7...9, 14... 17, 41...58], а также списки литературы в них и других информационных источниках по вопросам конструирования дают исчерпывающий материал по современным достижениям в совершенствовании средств и методов проектирования БНК для РЭС различного схемотехнического и эксплуатационного назначения вообще и для РЭС АСУ производственно-технологического назначения в частности. В целом упомянутые здесь работы отражают определенные результаты в автоматизации процессов создания БНК и РЭС, проектируемых на их основе.
Статистическая оценка трудоемкостей проектирования и подготовки производства системы структурных модулей БНК
На основе системного анализа результатов работ [5, 7...9, 49, 54, 58...63] и опыта создания и внедрения БНК РЭС различного назначения можно сделать вывод о том, что затраты на проектирование и подготовку производства БНК зависят от большого числа факторов, достигнутого уровня автоматизации проектирования, эффективности организации технологических процессов подготовки производства на предприятии, особенностей БНК и РЭС в целом, возможностей конкретных видов производства БНК и многих других. Необходимость комплексного анализа влияния множества этих факторов на значения трудоемкостеи проектирования и подготовки производства системы структурных модулей БНК РЭС для производственно-технологических АСУ потребовала проведения целого ряда статистических исследований.
Основной исходный материал при определении статистически обоснованных аналитических зависимостей для расчета трудоемкостеи проектирования и подготовки производства системы структурных модулей БНК представлял собой выборки значений соответствующих трудоемкостеи в зависимости от определяющих геометрических характеристик модулей.
При этом статистическому анализу было подвергнуто около 3000 ЭМ РЭС различного производственно-технологического назначения, компонує мых в основном в блоках БНК (структурных модулях первого уровня [1 1J), трудоемкость создания и внедрения которых, включая КП, составляет 85...95% от общей трудоемкости системы структурных модулей БНК РЭС (см. рис. 1.1, 1.2).
Приведенные в настоящем параграфе аналитические выражения (2.5) и (2.6) для расчета трудоемкостей проектирования и подготовки производства используются в разработанных и программно реализованных алгоритмах синтеза типоразмерных рядов БНК (см. разделы 3 и 4). Следует подчеркнуть, что аналитические выражения (2.5) и (2.6) получены на основании анализа статистических данных по ведущим предприятиям Российского агентства по системам управления. Поэтому для предприятий других отраслей промышленности возможно потребуется получить свои аналитические зависимости, либо подтвердить адекватность приведенных.
Решение задач многокритериального синтеза типоразмерных рядов системы структурных модулей БНК (1.1) непосредственно связано с решением задачи разработки аналитической методики расчега трудоемкости производства структурных модулей любого уровня иерархии БНК РЭС для АСУ производственно-технологического назначения.
С целью решения этой актуальной задачи были проанализированы схемотехнические, конструкгивные и производственно-технологические параметры и показатели качества более 400 цифровых РЭС; компонуемых в трехуровневых БНК. получивших наиболее широкое распространение во многих отраслях промышленности при создании РЭС производственно-технологического назначения (см. рис. 1.2).
На основе проведенного системного анализа и опыта разработки БНК и РЭС, а также исходя из физических и практических соображений с помощью методов наименьших квадратов и факторного планирования эксперимента исследовались следующие полиномиальные модели: С(п? =а(,п) + Ь(,п) V, + d \п) N,; (2.7) С !? =а? + b V, + d f N; +e (n) N f , (2.8) где С п) -среднестатистическая трудоемкость производства модуля БПК 1-го уровня иерархии (нормо-часы); Vj - объем модуля БНК 1-го уровня иерархии (дм"5); Nj - общее число задействованных контактов электросоедините лей, размещаемых в модуле БНК 1-го уровня иерархии; а , , ... , с - коэффициенты полиномов. В результате расчета коэффициентов полиномов а , , ... , Є и оценки среднеквадратических отклонений ТСШ для (2.7) и (2.8) установлено: значения коэффициентов Ь , и b 2 , d , и d 2 примерно попарно равны для модулей БНК одного уровня иерархии (максимальное расхождение составляет не более 10%); различия в элементной базе и функциональном назначении ЭМ РЭС не оказывают заметного влияния на значения коэффициентов полиномов и среднеквадратических отклонении; среднеквадратические отклонения Gcn\ , вычисленные для полинома (2.7), незначительно меньше среднеквадратических отклонений 0 Спь определенных для полинома (2.8) (максимальное расхождение составляет не более 10%); коэффициент Є имеет значение чрезвычайно малого порядка (первая значащая цифра находится на уровне 10"7); значения коэффициентов полиномов, вычисленные методами наименьших квадратов и факторного планирования эксперимента, практически равны (максимальное расхождение составляет не более і 4%). В результате проведения статистической проверки на значимость полученных оценок коэффициентов а " , ... , d (9 по "t" критерию Стью деыта установлено, что коэффициенты а и а у должны быть отбро шены, так как не являются значимыми. Обобщение выявленных факторов с учетом различных статистических проверок, в том числе на воспроизводимость результатов экспериментальных данных по критерию Кохрена (проверка гипотезы о равенстве дисперсии для отклонении U - С . показала, что результаты опыта можно считать однородными и воспроизводимыми с доверительной вероятностью не менее 0,85) и на адекватность математической модели (2.7) по критерию Фишера (FT = 0,95), позволяет принять линейную модель как приемлемую для определения величины трудоемкости производства модулей БНК различных уровней иерархии.
Принципы алгоритмического решения задач многокритериального синтеза типоразмерных рядов системы структурных модулей БНК
Тенденция к созданию унифицированной системы БНК РЭС для АСУ различного производственно-технологического назначения на основе наиболее массовой БНК стоечного исполнения, утвердившаяся иерархическая организация БНК, межгосударственная стандартизация габаритных размеров модулей высшего иерархического уровня и другие выявленные выше особенности развития БНК обусловливают качественную устойчивость их функционально-пространственной структуры, которая в значительной степени выражается в системных свойствах и сохранении ведущих принципов функционирования БНК [17]. Отсюда, с учетом определяемых спецификой РЭС положений системного подхода к их проектированию и на основе концепции проектирования БНК как системы в целом [8], можно утверждать, что синтез перспективных БНК заключается в определении множества оптимальных размеров, конструкционных материалов и геометрических форм несущих элементов БНК, а также способов обеспечения механической прочности и нормального теплового режима. При этом должны быть определены сопутствующие синтезу параметры ЭМ РЭС (например, оптимальные геометрические размеры и число контактов электросоединителей заданных типов, оптимальное число ИЭТ, размещаемых на синтезированных КП).
Таким образом, несмотря на установившуюся структуру БНК, синтез модулей различного уровня иерархии и их совокупности является сложным процессом, базирующимся на сочетании процедур структурной (выбор марок конструкционных материалов, форм сечений и типов несущих элементов) и параметрической (определение размеров, установочных позиций и числа несущих элементов) оптимизации. Поэтому непосредственное решение задач многокритериального синтеза типоразмерных рядов системы БНК (1.Г) связано со значительными математическими и вычислительными трудностями, главным образом, из-за большой их размерности, дискретного характера ряда ограничений и сложмосги комплекса математических моделей, связывающих разнохарактерные параметры и показатели качества системы структурных модулей БНК. В этих условиях рациональный подход к решению базируется на принципе декомпозиции исходной задачи по уровням структурной иерархии модулей БНК и в виде основных этапов показан на рис.3.1.
Основная идея предлагаемой здесь модели многокритериачыюго синтеза типоразмерных рядов системы БНК заключается в их синтезе с позиций нисходящего системного проектирования («снизу-вверх») [67...82] и с учетом последующей проверки получаемого решения с позиций восходящего системного проектирования («сверху-вниз»). Таким образом, предлагаемый алгоритм предусматривает сквозной процесс синтеза системы оптимальных БНК. Обоснованность и перспективность такого подхода при выборе стратегии многокритериального синтеза типоразмерных рядов системы БНК вытекает из ряда факторов, определяемых в основном установившимися принципами функционирования, построения и эксплуатации РЭС АСУ (см. 1.1 и [2...4]). К наиболее существенным факторам относятся следующие: недостаточность априорной информации и неопределенность численных значений многих показателей качества РЭС на этапе синтеза типоразмерных рядов системы БНК; сложность корректного определения выходных характеристик модулей более низких уровней, обусловленная тесной взаимосвязью всех параметров БНК; объективная возможность прогнозирования параметров дестабилизирующих воздействий для структурных модулей БНК; стандартизация в рамках международных организаций габаритных размеров модулей высшего уровня иерархии БНК; возможность наиболее эффективной реализации множества предъявляемых к БНК альтернативных требований (например, обеспечения механической прочности и нормального теплового режима) при минимальном ухудшении показателей качества, объединенных в целевой функции F (1.1). Общий принцип действия алгоритма многокритериального синтеза ти-поразмерных рядов системы БНК, представленного на рис.3.1, заключается в том, что сначала, на основании данных о типах и параметрах ИЭТ, характеристиках конструкционных материалов, сведений об условиях эксплуатации и многих других необходимых исходных данных (внешних первичных параметров) последовательно определяются типоразмерные ряды, а следовательно, и внутренние (зависимые) геометрические параметры КП и модулей всех уровней структурной иерархии БНК. При этом геометрические параметры модулей нижнего уровня иерархии становятся основой при определении ти-поразмерных рядов для модулей следующего уровня. Затем происходит проверка синтезированной системы БНК как целого, так и ее составных частей, на соответствие сделанного выбора прочностным, теплофизическим и другим критериям, включенным в формальную постановку задач синтеза (1.1). При удовлетворении всему комплексу требований вариант фиксируется как возможный с определенным уровнем целевой функции; в допустимом пределе осуществляется изменение исходных данных (например, параметров ИЭТ) и проверка на соответствие требованиям повторяется. Так происходит до тех пор, пока не будут рассчитаны все варианты структур БНК и сочетаний первичных параметров. В случае нарушения каких-либо ограничений синтеза происходит отсечение заведомо худшей области параметров и область возможных состояний сужается. В итоге из совокупности найденных приемлемых вариантов выбирается один, который соответствует минимальному значению целевой функции F (1.1).
В зависимости от полноты постановки задач многокритериального синтеза типоразмернъгх рядов системы БНК, мощности множеств в ограничениях и числа переменных оптимизации формирование базиса исходных (внешних) параметров осуществляется в основном в автоинтерактивном (диалоговом) режиме и сводится к нахождению рациональной структуры БНК: числа модулей i-1 - го уровня в модуле і-го уровня, конструкционных материалов и геометрических форм несущих элементов, способов теплоотво-да и обеспечения механической прочности, а также однозначно определяемых структурой геометрических размеров.
Синтез внутренних параметров, к которым, главным образом, относятся расчетные геометрические размеры типоразмерных рядов модулей БНК всех уровней иерархии, ведется в автоматическом (пакетном) режиме. На основе полученных геометрических размеров структурных модулей БНК и данных о возможных дестабилизирующих воздействиях проводятся достаточно сложные процедуры расчета тепловых режимов, механической прочности, электромагнитной совместимости и других условий, включенных в математическую постановку задач синтеза (1.1).
Программное обеспечение многокритериального синтеза типоразмерных рядов системы структурных модулей БНК
Одной из важнейших задач многокритериального синтеза типоразмерных рядов системы структурных модулей БНК является разработка специального программного обеспечения, обладающего высокой экономичностью, надежностью., универсальностью, адаптируемостью, мобильностью и другими свойствами, позволяющими создать эффективную систему автоматизированного синтеза типоразмерных рядов БНК с высокими эксплуатационными характеристиками и минимальными затратами на ее разработку, внедрение и модернизацию.
Специальное программное обеспечение системы автоматизированного многокритериального синтеза типоразмерных рядов модулей всех уровней структурной иерархии БНК РЭС для АСУ различного производственно-технологического назначения базируется на разработке новых и рациональном использовании известных программ, выбор и доработка которых для обеспечения программной совместимости и функционального единства представляет собой весьма трудоемкую задачу.
Здесь приводится перечень основных пакетов программ-компонентов специального программного обеспечения, позволяющего решать комплекс задач многокритериального синтеза типоразмерных рядов структурных модулей БНК РЭС для производственно-технологических АСУ с применением современных ЭВМ и с учетом реализации множества практически необходимых требований, предъявляемых к этому особому классу АСУ.
К числу основных разработанных комплексных программ системы автоматизированного многокритериального синтеза типоразмерных рядов структурных модулей БНК. являющихся сложными техническими системами, относятся следующие: программы расчета значений целевой функции (1.1) и выбора ее минимального значения при многокритериальном синтезе оптимальных типоразмерных рядов КП и структурных модулей БЫК соответственно с учетом тру-доемкостей их проектирования, подготовки производства и непосредственно производства, а также адаптационных потерь при внедрении конкретных синтезированных типоразмеров КП и структурных модулей БНК. которые разработаны на основе математических моделей, приведенных в 2.1 ... 2.5: программы расчета и анализа определяющих параметров КП и структурных модулей всех уровней структурной иерархии БНК. обеспечивающих взаимосвязь параметров и показателей качества элементов БНК как сложной системы, которые разработаны на основе аналитических соотношений для построения единой математической модели системы структурных модулей БНК, рассмотренных в работах [5, 17], и алгоритмов, приведенных в 3.1 ... J.J. программы расчета и анализа структурных и геометрических параметров кабельных изделий, кабельных каналов, зон электромонтажа, размещения ИЭТ. электросоединителей. КП. несущих элементов и структурных модулей БНК с учетом целевой функции (1.1) и требований обеспечения электрической надежности, і 00%-й трассировки электрических цепей, электромагнитной совместимости, нормального теплового режима и механической прочности, разработанные на основе алгоритмов, приведенных в 3.1...3.3, и результатов работ 5. 1, 83...951: программы, обеспечивающие множество организационных и сервис ных процедур (например, ввода и вывода информации, управления базами данных, обеспечения интерфейса между пользователем и пакетом прикладных программ, контроля результатов синтеза). Вышеперечисленные разработанные программы, а также выбранные и доработанные программы прошли экспериментальную апробацию, используются на предприятиях различных отраслей промышленности и в ВУЗах, и обладают следующими свойствами: универсальностью - могут быть синтезированы типоразмерные ряды структурных модулей БНК РЭС для АСУ различного производственно-технологического назначения; быстродействием - благодаря применению эффективных методов обработки информации и рационализации вычислительных процедур; доступностью - состав входной и выходной информации понятен пользователям, программы написаны на широко распространенном языке С" и приспособлены к ЭВМ современного типа; сервисностью - результаты синтеза выдаются на принтер, снабжены необходимыми комментариями и имеют общепринятые привычные обозначения.
Следует отметить, что программы имеют модульную структуру и могут по желанию разработчика использоваться как в пакетном, так и в диалоговом режимах, а также дополняться при изменении, например, схемотехнической или технологической базы многокритериального синтеза гипоразмер-ных рядов структурных модулей системы БИК РЭС для АСУ производственно-технологического назначения.
