Конструкции современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) отличаются значительной сложностью и разнообразием. Научно-технический прогресс накладывает новые требования на сроки разработки и точность расчета параметров современных устройств и систем. Поэтому одной из важнейших задач современного процесса разработки является интенсификация процесса создания новой техники на основе применения систем автоматизированного проектирования (САПР).
С точки зрения содержания решаемых задач, процесс проектирования РЭА можно разделить на 4 этапа (Рис. 1) [1]: системотехнический, схемотехнический, конструирование и технологическая подготовка к производству.
Следует особо подчеркнуть, что между всеми этапами проектирования суш-ествует глубокая взаимосвязь. Так, определение окончательного варианта конструкции и разработка всей технической документации часто не могут быть выполнены до окончания разработки технологии. В процессе конструирования и разработки технологии может потребоваться переработка принципиальных схем, структуры системы и исходных данных.
Из-за того, что традиционный процесс проектирования сводится к функционированию отдельных подразделений, каждое из которых выполняет свои задачи, при разработке или модернизации РЭА возникает проблема несогласованности между отдельными этапами проектирования [25]. Это ведет к многократной переработке технических решений и документации, что увеличивает сроки разработки РЭА и снижает качество проекта в целом. Чтобы этого избежать, необходимо с самых ранних этапов применять системный подход [6], [7], т. е. рассматривать процесс проектирования как совокупность взаимосвязанных этапов с большой степенью взаимной корреляции, а компоненты РЭА проектировать с учетом общесистемных требований. Для этого специалисты каждого этапа должны быть обеспечены сведениями о требованиях и возможностях других этапов и снабжены эффективным инструментом анализа и интерпретации этих данных, чтобы они могли.
Системотехническое Схемотехническое проектирование проектирование.
Технологическая Конструирование подготовка к производству.
Рис. 1. Этапы проектирования РЭА. ориентироваться в незнакомой для себя области. Это сделает процесс разработки более гибким и позволит быстрее найти компромисс между требованиями различных этапов разработки РЭА.
Особенно остро проблема системного проектирования стоит в области беспроводных высокочастотных систем (телевещательных станций, систем беспроводной передачи данных и т. п.). Здесь наряду с внещними факторами (быстро меняющейся элементной базой, которую необходимо осваивать, конъюнктурой рынка) стоит проблема электромагнитной и тепловой совместимости ФЯ внутри устройств. Это усиливает связь между функциональными параметрами устройств и их конструкторским исполнением. Поэтому для эффективной интеграции схемотехнического и конструкторского этапов проектирования (Рис. 1) на этап конструирования необходимо передавать подробную информацию о конструкции устройства, которая включает: схему расположения и тип конструкторского исполнения ФЯ, тип и материал корпуса, тип системы охлаждения и т. д. Причем эта информация должна быть обоснована с конструкторской и технологической точек зрения.
Из-за огромного разнообразия РЭА беспроводных систем, представляется невозможным в рамках работы охватить весь класс беспроводных устройств связи и передачи информации. Коллектив разработчиков, как правило, специализируется на разработке какого-либо одного типа или подкласса аппаратуры. Поэтому необходимо сузить круг рассматриваемой РЭА до устройств, имеющих похожие принципы разработки и конструирования и занимающих определенную функциональную пищу.
В настоящее время одно из самых быстрорастущих отраслей в нащей стране — это телевидение. Во многих городах и округах появляются новые телевизионные каналы и студии (Рис. 2) [48], существует правительственная программа по расширению ТВ вещания в малых и средних областных городах Российской Федерации. тыс.станций.
16.0——;
1990 г. 1995 г. 2000 г.
Рис. 2. Рост числа малогабаритных ТВ станций в России.
Это быстро развивающееся направление техники, охватывающее достаточно широкий подкласс РЭА (см. главу 1). Поэтому существует актуальность в интенсификации и автоматизации разработки РЭА малогабаритных телевизионных станций (РЭА ТС).
В рамках решения этой проблемы в работе рассматривается задача интеграции схемотехнического и конструкторского проектирований П5п: ем автоматизации моделирования конструкций и прогнозирования конструкторских параметров РЭА ТС на стадии эскизного проекта. Это особенно актуально, т.к. именно в эскизном проекте определяются принципиальные схемотехнические и конструкторские решения и цена ошибки в нем особенно высока [6].
Традиционный процесс эскизного проектирования РЭА [6] выглядит следующим образом (Рис. 3). тзр Л Получение ТЗ на Анализ ТЗ (функциональных Анализ прототипов Составление разработку РЭАТС параметров, назначения и лр) устройства ФС устройства.
Составление/коррекция Составление/коррекция промежуточного промежуточного варианта СС устройства варианта ПС устройства.
Выбор технологии изготовления и элементной базы Компоновка ячеек.
Оценка Разработка Составление исходных Передача исходных данных конструкторских требований данных на на конструирование параметров к конструкции конструирование РЭАТС РЭАТС конструктору на конструирование, Л.
Замечения с этапа конструирования или технологической подготовки к производству.
Рис. 3. Разработка ТЗК РЭА.
Здесь показано, что он носит итерационный характер, что обязательно вызовет задержки на согласование требований и возможностей схемотехнического и других этапов проектирования.
В настоящее время для моделирования и прогнозирования параметров РЭА обьино применяются интегрированные САПР различного назначения [1]. Но из-за того, что такие САПР разрабатываются для широких областей применения, в них отсутствуют механизмы анализа получаемых решений для конкретных классов аппаратуры. То есть они рассчитаны на использование снециалистами, знающими предметную область, которые могут комплексно оценить результаты проектирования. Между тем, квалификация инженера-схемотехника позволяет принимать решения преимущественно в области функционального и схемотехнического построения устройств, а при эскизном проектировании принимаются также принципиальные решения относительно конструкций РЭА, которые должны быть рассмотрены комплексно и оценены с учетом всех основных влияющих факторов (схемотехнических, конструкторских, технологических), а также опыта проектирования данного класса аппаратуры. Поэтому для комплексной оценки принимаемых инженерных решений инженеру-схемотехнику нужна система поддержки принятия конструкторских решений — узкоспециализированная экспертная САПР (ЭСАПР).
Применение ЭСАПР позволит инженеру схемотехнику ТС получать варианты конструкторско-технологических решений непосредственно на рабочем месте, что даст возможность полнее представить варианты конструкторской реализации результатов схемотехнического проектирования и принять обоснованные решения с учетом возможностей и особенностей конструирования и производства изделия. Это сократит количество обращений к конструктору-технологу, что минимизирует задержки, вызванные из-за согласования проекта между данными группами специалистов (Рис. 4). Таким образом, снизится риск переработки схемы, сократятся сроки проектирования, возрастет качество проекта в целом. тзр
Получение ТЗ на АналиТЗ (фукрнальм разработку РЭАТС параметров, назначения и др.).
Анализ прототипов устройства.
Составление ФС устройства.
Составление/коррекция промежуточного варианта сС устройства.
Составление/коррекция промежуточного варианта ПС устройства.
РЭАТС.
Прогнозирование конструкторских параметров.
Моделирование конструкции.
Выбор технологии изготовления и элементной базы Компоновка ячеек f.
Разработка требова| к конструкции.
Сдаааммодмрж на конструирование РЭАТС.
Передача исходных данных на конструирование РЭАТС конструктору на конструирование, л.
Рис. 4. Эскизное проектирование РЭА ТС с применением ЭСАПР.
Основной компонентой ЭСАПР является база знаний (БЗ) [9], [12]. От способа ее построения зависит эффективность принятия решений, удобство и быстрота нараш-ивания знаний, основные структурные характеристики системы. Обзор литературных источников [3−12], [17], [18], [23], [24] показал, что суш-ествует несколько методов организации баз знаний ЭСАПР, но с зЛетом специфики предметной области (модульности и последовательного характера следования этапов эскизного проектирования, типов данньгх, описываюш-их предметную область) в диссертации выбраны БЗ, основанные на фреймах, как наиболее соответствующие решаемым задачам.
Поэтому разработка методов представления и обработки знаний, моделей управления знаниями и структуры БЗ для задач автоматизированного конструирования аппаратуры ТС является актуальной проблемой, от качества решения которой зависит эффективность автоматизации этапа эскизного проектирования, гибкость процесса принятия решений и трудоемкость процесса наращивания ЭСАПР.
Данная работа выполнялась в рамках НИР «Разработка РЭА малогабаритных ТС», по заказу АОЗТ НПФ «Гран-Курьер», которая в течение десяти лет разрабатывает и производит аппаратуру передающих ТВ станций для малых и средних городов России мощностью излучения от 50 до 300 Вт. Этим в основном и определятся выбор типа РЭА в качестве объекта работы.
Целью работы является разработка методологии построения фреймовых структур для задач автоматизации конструирования малогабаритных ТС на стадии эскизного проекта, реализующих алгоритмы автоматизированного синтеза вариантов конструкций и прогнозирования их параметров для инструментальной среды инженера-схемотехника.
Для достижения намеченной цели в диссертации решены следующие задачи:
1. Обоснована целесообразность разработки экспертной САПР (ЭСАПР) для решения задачи автоматизированного конструирования РЭА ТС на стадии эскизного проекта (глава 1, п. 1.3).
2. Обосновано применение структуры систем с доской объявлений в качестве модели организации знаний (глава 1, п. 1.3).
3. Обосновано использование фреймов в качестве основной структурной единицы представления предметных знаний, включающих системы продукционных правил для представления декларативных знаний и внешние процедуры для процедурных знаний (глава 1, п. 1.3).
— 104. Предложены принципы построения фреймовых структур задач автоматизированного конструирования РЭА ТС на стадии эскизного проекта и разработаны фреймовые структуры следующих подзадач: выбор общей системы охлаждения, расчет массогабаритных параметров ФЯ и компоновка компонентов конструкции в монтажно-коммутационном пространстве (глава 2).
5. Предложен механизм и разработана темпоральная иерархическая ситуационная модель (ИСМ) управления фреймовыми структурами для подзадач предметной области (глава 3, нп.3.1, 3.2, 3.3).
6. Выделены все необходимые виды запросов по памяти текущих состояний темпоральной ИСМ управления, на основании чего получена система предикатов активности переходов состояний, реализующих эти запросы (глава 3, ни.3.4).
7. Разработана и исследована методика построения модуля принятия рещения для подзадач автоматизированной разработки конструкций РЭА ТС на стадии эскизного проектирования. Методика позволяет извлекать и кодировать в универсальной табличной форме экспертную информацию, заключенную в смешанных СПП со строгими и нестрогими типами правил с количественными и качественными описателями, выводить заключения при помощи универсальной машины вывода (глава 4, п. 4.2, глава 5, п. 5.3).
8. Вьщелены и описаны все структурные единицы ИСМ, на основании чего разработана лингвистическая компонента ЭСАПР, представляющая узкоспециализированный внутрисистемный язык описания темпоральной ИСМ управления задачами автоматизированного конструирования РЭА ТС на стадии эскизного проекта (глава 4, п. 4.3).
9. На основании опыта проектирования ТВ станций собраны экспертные данные и разработаны системы продукционных правил решения ряда частных задач (глава 2).
10. Разработан программный комплекс автоматизированного проектирования конструкций РЭА ТС на стадии эскизного проекта (глава 5, пп.5.1, 5.2).
П. Исследованы предлагаемые алгоритмы и модели на примере проектирования модулятора телевизионного МРК. ДЦМ-07, выпускаемого АОЗТ НПФ «Гран-Курьер» (глава 5, п. 5.4).
На защиту выносятся:
1. Методология построения фреймовых структур задач автоматизированного конструирования РЭА ТС на стадии эскизного проектирования.
2. Темпоральная иерархическая ситуационная модель управления фреймовыми структурами.
3. Методика построения универсального модуля принятия решений, способного выводить заключения по системам строгих и нестрогих правил и их комбинациям с количественными и качественными описателями.
4. Внутрисистемный язык описания темпоральной ИСМ управления фреймовыми структурами экспертной САПР конструкций аппаратуры телевизионных станций на стадии эскизного проектирования.
Научная новизна:
1. Исследованы особенности применения фреймовых структур для решения комплексной задачи автоматизированной разработки конструкций РЭА ТС на стадии эскизного проекта и разработана методология построения фреймовых структур, позволяющая эффективно описать данную предметную область при помощи связанных структур фреймов.
2. Вьщелены и формализованы метазнания управления данной предметной области, в результате чего разработана и формально описана темпоральная иерархическая ситуационная модель управления.
3. Предложена методика разбора и кодирования СПП и вывода заключений, обеспечивающая согласованное применение строгих и нестрогих правил с количественными и качественными описателями и быстрый вывод заключений с помощью универсальной машины вывода.
4. Разработан внутрисистемный язык для описания темпоральной ИСМ управления фреймовыми структурами ЭСАПР конструкций аппаратуры телевизионных станций, обеспечивающий модульное расширение ее функциональных возможностей без рекомпиляции интеллектуального ядра и ранее созданных программньгх модулей.
Практическая ценность:
1. Автоматизированное получение вариантов конструкций РЭА ТС, разработанных до уровня принципиальных решений и удовлетворяющих совокупности требований схемотехнического и конструкторского этапов проектирования в 3−4 раза быстрее, чем при традиционном проектировании.
— 122. Возможность интеграции программных модулей, реализующих уже существующие и испытанные методики решения отдельных подзадач автоматизированного конструирования РЭА ТС, а также знаний специалистов по конструированию в общую автоматизированную систему комплексного проектирования без рекомпиляции ядра системы и ранее созданных программных модулей.
Результаты внедрения:
Данная работа выполнялась в рамках НИР «Разработка РЭА малогабаритных ТС», по заказу АОЗТ НПФ «Гран-Курьер», которая в течение десяти лет разрабатывает и производит аппаратуру передающих ТВ станций для малых и средних городов России мощностью излучения от 50 до 300 Вт.
Разработанный ЭСАПР был опробован при разработке и модернизации ряда устройств: модернизации модулятора телевизионного МРК-ДЦМ.07 АОЗТ НПФ «Гран-Курьер», разработке блока формирования пакетов информационных каналов ЗАО «Сота-ТВМ» и разработке макетного образца блока опорных сигналов (БОС) танкового локатора по теме «ЛАМА-М» ОАО «Радиофизика». По результатам работ получены акты внедрения.
Наибольшую эффективность по сокращению времени проектирования ЭСАПР показала в процессе модернизации конструкции устройств, связанной с переходом на новую элементную базу, доработкой ПЭС и ФС, при относительно небольших изменениях в общем компонентном составе, а также при сопровождении процесса модернизации на протяжении нескольких поколений устройства. Это объясняется тем, что при новом проектировании необходимо сформировать модель конструкции устройства, найти данные по прототипным разработкам, что занимает определенное время. При модернизации, особенно при второй и далее, модель уже практически сформирована и нуждается лишь в доработке, которая гораздо менее трудоемка. Однако этот недостаток присущ большинству САПР РЭА, которые становятся эффективны при продолжительном проектировании, когда формируется элементная база (РСАВ, ОКСАВ и др.), накапливаются определенные наработки в данной области проектирования.
Выход i I Q Выход.
Рис. 5.4. Алгоритм работы модуля БЗ.
Входные данные (описатели) в процедуры класса передаются в виде массива (Рагаш []). Это позволяет передавать произвольное количество данных в класс и избавляет от необходимости описывать специфичные переменные в каждом классе под каждое правило.
Пример написания класса Pravilo:
Class Pravilo {.
Private :
Char Vhod[256], Resh[256], Namedll [ 2 5 6 ], Expname[256]- Double Param[30] [2], Expert[50] [50], Modelpar[5 0 0] - Public: Pravilo (char *key) — void Analyze (Double *A) — void Prresh (Double *A) — };
Тело конструктора:
Pravilo:: Pravilo (char *key).
Поиск в базе данных загрузки по ключу *кеу имен процедур и данных для заполнения массивов, } Л А.
Тело метода вызова процедуры анализа входных данных.
Void Pravilo: .-Analyze (Double *Modelpar) {.
Void (stdcall *Andll)(Double **, Double * *) — Загрузка DLL.
HINSTANCE dlllnstance = LoadLibrary (Namedll) — Получение адреса процедуры.
Andll = (void (stdcall*) (Double **, Double **).
GetProcAddress (dlllnstance, Vhod) — Вызов процедуры.
Andll (Parana, Modelpar) — Выгрузка DLL.
FreeLibrary (dlllnstance);
Процедура анализа входных данных Andll, запускаемая из метода Analyze, сравнивает количество описателей, переданных через массив Par am, с количеством столбцов в файле экспертных данных (п. 4.2.2), а также сравнивает значения описателей на соответствие типам описателей, указанньм в этом файле. Для обеспечения возможности проверять типы описателей, в файл экспертных данных добавляется строка с указанием их типов. Затем массив Рагат передается в процедуру принятия решения Prdll, которая вызывается из метода Prresh тем же способом, что и процедура Andll.
Другая возможная реализация модуля БЗ, принципы построения которого описаны в п. 4.2 приведена в Приложении [16]. Универсальный модуль БЗ представляет собой систему управления базой декларативных знаний, выполненной в виде базы данных MS ACCESS 2000. Управление БД осуществляется через SQL запросы и ADO компоненты Borland Builder. Такая реализация дает возможность более гибкого управления декларативными знаниями посредством стандартных функций управления базами данных, что является несомненным преимуществом, т.к. средства и системы управления БД широко развиты и у разработчика ЭСАПР появляются широкие возможности для выбора средств накопления, управления и обработки декларативных знаний.
5.3. Исследование программного комплекса в процессе поиска решений.
5.3,1. Исследование экспертного модуля принятия решений.
Так как экспертный модуль принятия решений, разработанный в п. 4.2.2, является одной из основных структурных единиц тематической базы знаний ЭСАПР, от эффективности его построения и работы зависит эффективность процесса поиска решений в целом. Поэтому проведем исследование эффективности способов представления экспертной информации в модуле принятия решений. Исследование проведем на примере строгих правил, т.к. способы представления экспертной информации в нестрогих правилах точно такие же (см. п. 4.2.3). Для того чтобы произвести исследование, возьмем пример оценки результатов выбора системы охлаждения блока по стандартной методике (СП. 2−1).
Заключение
в данной диссертационной работе рассматривалась проблема построения фреймовых структур для решения задач автоматизированного конструирования моноблочной аппаратуры малогабаритных передающих телевизионных станций на стадии эскизного проекта с целью разработки экспертной САПР (ЭСАПР) поддержки принятия решений для инструментальной среды инженера схемотехника.
В результате работы получены следующие основные результаты.
1. Исследованы особенности эскизного проектирования конструкций РЭА ТС и определены требования к функциональному наполнению и основным компонентам ЭСАПР. Показано, что применение фреймовых структур позволяет эффективно агрегатировать независимые методики автоматизации отдельных подзадач эскизного проектирования конструкций в единый итерационный многофакторный процесс и организовать их согласованную работу в едином параметрическом поле. Использование систем продукционных правил, как компонент фреймов, для описания эмпирических знаний инженера-конструктора позволяет автоматизировать процесс экспертной оценки результатов работы частных методик. Таким образом, применение фреймовых структур позволяет реализовать системный подход к автоматизированному конструированию РЭА ТС при эскизном проектировании.
2. Исследованы особенности применения фреймовых структур для поиска конструкторских решений в задачах автоматизированного конструирования РЭА ТС на стадии эскизного проекта. Разработана методология построения фреймовых структур, которая включает в себя процесс декомпозиции задач разработки конструкций РЭА ТС на элементарные однородные подзадачи синтеза и анализа и процесс агрегатирования их в общий процесс решения задачи. В результате выделены и обособлены процедурные и декларативные знания о предметной области и метазнания об управлении процессами поиска решений по следующим задачам: выбор общей системы охлаждения, расчет габаритов функциональных ячеек (ФЯ) и компоновка ФЯ внутри корпуса блока.
3. Разработана и исследована двухуровневая темпоральная иерархическая ситуационная модель управления фреймовыми структурами, которая позволяет настраивать структуру алгоритмов, выполняющих сложные итерационные процессы автоматизированного поиска конструкторских решений с большим числом обратных связей. Особенностью модели является возможность учета предыстории управляемого процесса, что позволяет избежать ввода в нее вспомогательных ситуаций, прямо не относящихся к моделируемому процессу. Это сделало процесс управления более «прозрачным» для пользователя увеличив наглядность представления полученной модели при моделировании сложных процессов.
4. Вьщелены и описаны в виде предикатов темпоральной ИСМ предметно-зависимые метазнания об управлении фреймовыми структурами. Разработан базовый набор функций управления, реализующих эти предикаты. Это существенно упростило лингвистическое описание ИСМ и повысило скорость его обработки.
5. Разработана лингвистическая компонента ЭСАПР в виде специализированного языка управления фреймами, образующая макроуровень накопления знаний об алгоритмах взаимодействия программных модулей системы. Язык управления позволяет оперативно (без рекомпиляции) изменять алгоритм констрзЛрования при расширении состава динамически присоединяемых библиотек (DLL).
6. Разработана и исследована методика представления декларативных знаний о предметной области, позволяющая в универсальной табличной форме кодировать смешанные продукционные системы со строгими и нестрогими правилами, и осуществлять быстрый вывод заключений без дополнительного преобразования описателей. Разработан универсальный программный модуль принятия решений, реализующий эту методику, являющийся основной структ}фной единицей накопления и обработки декларативных знаний ЭСАПР.
7. Произведено опробование разработанных методик, алгоритмов и моделей на контрольном примере, в качестве которого взята задача по синтезу конструкции модулятора телевизионного МРК-ДЦМ.07. В результате применения программного комплекса удалось получить окончательную компьютерную модель конструкции модулятора, включающую в себя габариты конструкции и ФЯ, расположение ФЯ и элементов управления, индикации, всего за два рабочих дня (с учетом времени ввода исходных данных). Причем в дальнейшем эта модель была реализована в конструкции без существенных изменений. По опыту проектирования предьщущих моделей модулятора, на разработку эскиза конструкции примерно той же информативности с учетом электромагнитной совместимости и равномерности распределения источников тепла требовалось около полтора-двух недель, т.к. требовало постоянного согласования с инженером-технологом. Это служит практическим обоснованием эффективности предложенных решений по построению ЭСАПР конструкций РЭА ТС на стадии эскизного проектирования.
