Методы и алгоритмы автоматизации принятия решений на этапе конструкторского проектирования бортовой космической радионавигационной аппаратуры с учётом тепловых и механических нагрузок

При создании любого высокотехнологичного устройства, в том числе составной части радиоэлектронной (радионавигационной) аппаратуры, необходимо изучить современное состояние отрасли, выявить аналогии и тенденции развития, а затем выбрать направление, характеризующее данное устройство [1].

В настоящее время рынок радионавигационной аппаратуры является одним из наиболее динамично развивающихся в сегменте высоких технологий. Разработка не только глобальных систем, таких как ГЛОНАСС (РФ), GPS (США), GALILEO (Европейский союз), но и небольших узкофункциональных радионавигационных приборов, регулярное расширение их номенклатуры требует постоянного повышения качества технологических процессов и проектных решений. Дальнейшее развитие этой области человеческой деятельности возможно только с применением последних достижений в сфере вычислительной техники, математического обеспечения и I информационных технологий.

В связи с постоянно высоким темпом развития рынка возрастают требования к технологиям конструирования и производства. Возникает потребность в регулярном внедрении инновационных технологий, тесно связанных с использованием современной вычислительной техники и методов математического моделирования. Появляется необходимость комплексной автоматизации на всех этапах проектирования аппаратуры и, соответственно, потребность в системах, возможно более полно реализующих такую автоматизацию.

При совершенствовании процесса проектирования требуется решать такую важную задачу, как возможно более широкое внедрение автоматизированных систем управления, которое может осуществляться двумя путями: [2].

1. Попытка постепенного внедрения систем автоматизации лишь на отдельных участках сферы деятельности предприятия (отделения), а затем: в будущем, построение* на их основе, единой системы управления. Также возможно ограничить внедрение системы автоматизации' только конкретнымигпроизводственными процессами, не затрагивая деятельность хозяйственного объекта в. целом: ,.

2. Комплексное внедрение многофункциональных систем автоматизации, позволяющее охватить все звенья системыменеджмента от производствам до верхнего управленческого уровня.

Очевидно, что несмотря на более значительные капиталовложениявторой путь намного выгоднее первого вследствие большей эффективности.

Проектирование какого-либо технического объекта представляет собой проблему, обратную традиционной расчетной задаче. Целью проектирования является создание технического объекта, обладающего определенным набором свойств, что в системном анализе получила название «задачи синтеза"[1]. Из общей методологии задач синтеза известно, что их решение достигается путем производства большого количества расчетов. При осуществлении выбора дальнейшего направления решения на каждом шаге итерации возникает т.н. задача направленного синтеза [3]. В таком виде процесс проектирования представляет собой частный случай проблемы оптимизации характеристик. С другой стороны, процесс проектирования является, в сущности, прогнозом определенных характеристик будущего объекта, за счет чего он обладает известной степенью неопределенности и технического риска. Снижение этого риска осуществляется засчет разбиенияпроцесса проектирования на ряд этапов, на каждом-из?которых принимаются те или иные проектные решения [1].

Соответственно, при комплексном внедрении систем автоматизации необходимо четкое структурирование процесса проектирования.

Данная работа посвящена оптимизации проектных решений в сфере систем автоматизированного проектирования радионавигационной. аппаратуры.

Разработка соответствующих САПР для различных сфер деятельности является одной из наиболее востребованных специальностей в области конструкторского проектирования технических объектов [1], однако в ходе освоения разнообразных специализированных источников информации, в том числе и опубликованных в периодических профильных изданиях, было установлено, что в настоящее время в Российской Федерации не описано и не внедрено ни одной системы принятия проектных решений (СППР) для цикла проектирования радиоэлектронной аппаратуры. Соответственно, тема настоящей работы является актуальной.

Цель работы: разработать методы решения задач автоматизированного проектирования радионавигационной аппаратурына основе выработанных критериев оптимизации создать модель автоматизированной проверки проектных решений. В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

— изучить и обобщить опыт автоматизированного проектирования и инженерного расчета навигационной аппаратуры;

— разработать метод вынесения проектного решения в области соответствующих систем автоматизированного проектирования;

— создать метод автоматизации проектных решений в данной области;

— разработать и внедрить методы конечно-разностной дискретизации и алгоритмы ее визуализации для обеспечения возможности контроля за ходом процесса проектирования в режиме реального времени;

— разработать критерии оптимизации проектных решений в области САПР радионавигационной аппаратуры.

Предметом исследования данной работы являются алгоритмы автоматизированной системы принятия решений в сфере оптимизации проектных решений конструирования радиоэлектронных средств. Методы исследования.

Для решения поставленных задач использованы: аналитическая теория теплопроводности, теория, методы и алгоритмы автоматизированного проектирования и конечно-разностного анализа, методы объектно-ориентированного программирования.

Положения, выносимые на защиту.

1. Метод принятия проектных решений в сфере разработки приемо-измерительной бортовой радионавигационной аппаратуры, состоящий в применении визуализации моделирования с использованием общих окон с равными правами доступа как источника исходных данных для принятия решений с помощью критерия ожидаемого значения;

2. Алгоритм системы принятия проектных решений на основе разработанного метода.

3. Алгоритм автоматического построения конечно-разностных сеток на конструкциях сложной формы путем объединения, вычитания и/или пересечения геометрических объектов, поверхность которых аппроксимирована ансамблем структурных элементов.

Научная новизна Научная новизна диссертационной работы заключается в разработанном методе принятия решений для СППР на этапе конструкторского проектирования заявленного класса аппаратуры. Отличительной особенностью данного метода является внедрение процесса автоматизированных расчетов, моделирования и испытаний в единый цикл принятия и корректировки проектного решения с возможностью минимизации вмешательства пользователя.

Практическая ценность.

Разработано программное обеспечение для построения пространственной конечно-разностной сетки и решения контактных задач на основе компонентно-объектной модели. Предложенный алгоритм дискретизации может быть применен при всех видах инженерных расчетов радиоэлектронных конструктивов.

Область применения результатов.

• Автоматизированные климатические и механические инженерные расчеты радионавигационных систем и средств;

• Конструкторское проектирование бортовой космической радионавигационной аппаратуры.

Апробация результатов.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях:

• XXXVI научная конференция СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 30 января-2 февраля 2007.

• Научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО: 2008, 2009, 2010 г.

• Межвузовская конференция молодых ученых СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 10−13 апреля 2007 г.

• Всероссийские межвузовские конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО: 2008, 2009 гг.

Апробация результатов представляемой работы была произведена в ОАО «РИРВ» (Российский институт радионавигации и времени). Разработанная СППР была внедрена на производстве в секторе обеспечения надежности и технологического обеспечения разработок. В частности, система использовалась при производстве автоматизированных расчетов тепловых режимов. Результаты работы были использованы при выполнении НИ-ОКР по темам:

• Малогабаритный рубидиевый стандарт частоты на газовой ячейке RFS-514;

• Модуль приемо-измерительный КНС ГЛОНАСС / GPS «К-161». Представляемая работа выполнена при поддержке Правительства.

Санкт-Петербурга (гранты Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов серия ПСП № 70 305 (2007 г.) и серия ПСП № 90 052 (2009 г)). Опубликовано пять статей, из них две — в рецензируемых журналах.

3.5 Выводы В третьей главе получены следующие результаты:

— Разработано и реализовано программное обеспечение, предназначенное для автоматической подготовки данных к проведению вычислительного эксперимента (конечно-разностная дискретизация).

— Реализация представляемого программного средства основывалась на технологии СОМ, что предоставляет возможность расширения и модификации программного продукта путем разработки и реализации.

91 новых методов дискретизации трехмерных моделей без перекомпиляции и изменений всей программы, что отсутствует в большинстве аналогичных программных продуктов.

Реализованы методы и алгоритмы пространственной конечно-разностной дискретизации, рассмотренные во второй главе. Для апробации полученных результатов реализованы численные методы решения пространственной контактной задачи для разработки модели тепловых режимов приемо-измерительного модуля системы ГЛОНАСС.

Разработаны методы графической визуализации рассчитываемой поверхности в соответствии с полученными контактными напряжениями.

Исследованы методы решения системы линейных уравнений больших размеров.

На базе метода Гаусса разработан соответствующий алгоритм для многопроцессорных персональных компьютеров.

Проведены исследования алгоритмов реализации экспертной системы на время решения задачи и вероятность возникновения ошибки либо отклонения от заданных параметров.

Установлено преимущество ЫЕТЕ-алгоритма как системообразующего алгоритма разрабатываемой экспертной системы.

Заключение

.

В ходе работы были получены следующие основные результаты:

— Разработан метод построения поверхностей, состоящих из набора плоских многоугольников путем добавления, удаления или пространственного перемещения вершин и дискретизации полученной поверхности на структурные элементы.

— Разработан алгоритм автоматического построения конечно-разностных сеток на конструкциях сложной формы путем объединения, вычитания и/или пересечения геометрических объектов, поверхность которых аппроксимирована ансамблем структурных элементов.

— Разработаны алгоритмы макроэлементной дискретизации трехмерных моделей.

— Разработано программное обеспечение для построения пространственной конечно-разностной сетки и решения контактных задач на основе компонентно-объектной модели, что предоставляет возможность расширения программного средства при расширении диапазона решаемых задач путем реализации и подключения новых утилит без перекомпиляции и изменений всей программы.

— Разработан алгоритм, направленный на уменьшение затрат аппаратных ресурсов используемого компьютера и позволяющий осуществлять контроль за ходом конструкторского проектирования в режиме реального времени.

— Проведена апробация полученных результатов на примере решения контактной задачи для разработки модели приемо-измерительного модуля системы ГЛОНАСС.

— Предложено аппаратное решение проблемы нехватки вычислительных мощностей с помощью реализации разработанного алгоритма параллельных вычислений на базе кластерных систем.

Разработан план реализации системы поддержки принятия проектных решений на основе предложенных алгоритмов.

Разработаны функциональные модели теплового расчета и механических напряжений на основе ранее известных методик. Модели адаптированы для создаваемой системы принятия решений. Внедрена система принятия проектных решений на предприятии Произведено внедрение разработанного программного обеспечения в Российском институте радионавигации и времени. Разработанные метод и алгоритмы внедрены в учебно-методический комплекс кафедры ПКС СПбГУ ИТМО.