Методы и алгоритмы автоматизированных систем управления навигационного оборудования морских объектов

Общая задача развития экономики страны и ее обороноспособности непосредственно связана с повышением эффективности отечественного производства конкурентоспособных изделий во многих отраслях промышленности. Одним из направлений успешного решения этой Ф комплексной задачи является разработка и внедрение автоматизированных систем управления (АСУ), особенно при создании сложных нестандартных систем навигационного оборудования морских объектов широкого назначения в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.304−98. При этом одним из ключевых направлений является разработка новых методов и средств конструкторского проектирования спутниковых навигационных систем для щ современных объектов морской техники. Необходимость реализации этого направления непосредственно связана с опережающим процессом схемотехнического проектирования по сравнению с конструкторским проектированием, которое до настоящего времени базируется, в основном, на эвристическом подходе.

Актуальность решения задач разработки новых методов и средств.

• конструкторского проектирования подтверждается также целым рядом НИОКР, проводимых ведущими предприятиями и организациями в рамках государственных и межотраслевых программ по разработке базовых несущих конструкций (БНК) радиоэлектронных средств (РЭС): «Целевая программа регулирования и развития оборонно-проМышленного комплекса РФ" — «Разработка концепции комплексной.

6 унификации типоразмеров и компоновочных схем БНК для перспективных изделий РЭС" Минобороны РФ- «Межотраслевая программа комплексной унификации, стандартизации и развития БНК РЭС" — «Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж стандартных электронных модулей» Госстандарта РФ и Р других.

Практика совершенствования АСУ показывает, что эффективность внедрения достижений науки и техники существенно зависит от их конструкторской реализации при создании РЭС, которые занимают центральное место среди различных классов технических средств АСУ, как по диапазону выполняемых функций, так и по объему производства. При этом принципиальные возможности конструирования закладываются на этапе синтеза оптимальных типоразмерных рядов системы БЕК, которые предназначены для размещения, электрического соединения и защиты от электромагнитных, тепловых, механических и других воздействий электронных модулей (ЭМ) РЭС.

Анализ конструктивно-технологических характеристик и перспектив развития конструктивных модулей (КМ) систем БНК показал, что комплексное решение задач их проектирования и производства возможно только на основе разработки и внедрения методов и средств математического синтеза. Однако системному исследованию и разработке этой актуальной проблемы не уделялось достаточного внимания, что подтверждается малым количеством публикаций и проведением НИОКР по вышеперечисленным программам.

Целью диссертации является разработка математических моделей и алгоритмов для автоматизированного многокритериального синтеза оптимальных типоразмерных рядов системы БНК перспективных РЭС АСУ в навигационной морской технике на основе функционально-стоимостного анализа.

4 В соответствии с этим в диссертационной работе ставились и решались следующие основные задачи: проведение системного анализа тенденций развития БНК РЭС АСУ за последние два десятилетия и выработка статистических зависимостей для расчета и прогнозирования определяющих показателей качества БНК как сложных иерархических системпостроение целевой функции многокритериальной оптимизации и математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза типоразмерных рядов КМ и системы БЫК в целом для перспективных РЭС АСУразработка и выбор комплекса математических моделей КМ и.

• системы БНК, учитывающих зависимости между их определяющими параметрами и показателями качестваразработка алгоритмов синтеза типоразмерных рядов БНК с позиций достижения рационального компромисса между требованиями их максимальной функциональной емкости и минимизации затрат на проектирование, подготовку производства и непосредственно т производстворазработка и внедрение специального программного обеспечения синтеза типоразмерных рядов БНК с учетом совокупности критериев качественного и надежного функционирования РЭС АСУ.

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 предложены, разработаны и внедрены модели и алгоритмы для математического синтеза типоразмерных рядов.

БНК как сложных систем с учетом реальных условий проектирования, подготовки производства и производства перспективных РЭС АСУ.

Научная новизна работы заключается в следующих основных результатах, полученных лично автором.

1. Предложены критерии, состав ограничений и переменных.

9 оптимизации типоразмерных рядов КМ БНК различных иерархических уровней и их совокупностисформулирована общесистемная математическая постановка задач структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных типоразмерных рядов БНК, которая учитывает схемотехнические, конструкторские, экономические, технологические и другие требования всех этапов создания и эксплуатации.

• перспективных РЭС АСУ.

2. Разработан комплекс статистических математических моделей, которые позволяют рассчитывать трудоемкости проектирования, подготовки производства и непосредственно производства коммутационных плат (КГТ) и КМ любого уровня иерархии БНК, а также определять адаптационные потери при их внедрении. При этом.

• разработанные математические модели в сочетании с выбранными моделями БНК (электромагнитными, топологическими, теплофизическими, механико-прочностными и другими) обеспечивают построение эффективных общесистемных и частных алгоритмов синтеза при неполной априорной информации и высокой размерности задач поиска оптимальных типоразмерных рядов.

• 3. Предложены принципы алгоритмизации и разработан общесистемный алгоритм структурного и параметрического многокритериального синтеза типоразмерных рядов БНК на основе функционально-стоимостного анализа, которые позволяют построить унифицированную систему БНК РЭС АСУ, обеспечивающую минимизацию затрат на их создание, внедрение и модернизацию при.

• выполнении требований повышения функциональной емкости, качества и надежности.

4. Разработан алгоритм автоматизированного многокритериального синтеза оптимального типоразмерного ряда КП, который позволяет определять комплекс оптимальных метрических и структурных параметров ф для КП в синтезированном ряду: размеры электромонтажного поля для размещения и 100%-ной трассировки изделий электронной техники (ИЭТ), способы обеспечения нормального теплового режима и механической прочности, и другие параметры. Этот алгоритм может быть положен в основу многокритериального синтеза оптимальных типоразмерных рядов системы КМ БНК при отсутствии ограничений на габаритные размеры модуля высшего уровня иерархии.

На защиту выносятся следующие новые научные положения.

1. Разработанные принципы, модели и алгоритмы структурного и параметрического синтеза оптимальных типоразмерных рядов БНК с позиций функционально-стоимостного анализа позволяют находить компромиссные конструктивно-технологические решения в интересах.

Ф всего процесса синтеза типоразмерных рядов БНК как сложных иерархических систем за счет комплексного согласования критериев, учитывающих практически необходимые условия проектирования и производства перспективных РЭС АСУ.

2. Построенная единая математическая модель БНК как сложной системы, учитывающая затраты на проектирование и производство.

• типоразмерных рядов КМ 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 реализации процесса многокритериального синтеза унифицированной системы БНК для РЭС т АСУ различных классов навигационного оборудования морских объектов.

3. Разработанный общесистемный алгоритм синтеза типоразмерных рядов КМ 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.

4. Разработанный алгоритм структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимального типоразмерного ряда КП с использованием разработанных и выбранных математических моделей, отражающих практически необходимые схемотехнические, конструкторские и технологические условия создания перспективных БНК при размещении в них ЭМ РЭС, позволяет организовать синтез оптимальных типоразмерных рядов КМ всех уровней иерархии системы БНК при незаданных ограничениях на габаритные размеры КМ 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. Практические результаты работы используются при создании государственных стандартов на конструкции навигационного оборудования морских объектов в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.304−98, «Межотраслевой программой комплексной унификации, стандартизации и развития БНК РЭС» и программой Госстандарта РФ «Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж электронных модулей». Результаты работы используются в учебном процессе ВУЗов Санкт-Петербурга.

Результаты диссертационной работы в виде разработанных и программно реализованных алгоритмов структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных типоразмерных рядов системы.

БНК были использованы ведущими предприятиями при конструировании АСУ перспективного навигационного оборудования морских объектов, не уступающего лучшим мировым аналогам, что подтверждается соответствующими актами внедрения. Результаты диссертационной работы в виде математических моделей и алгоритмов также используются в НИОКР, проводимых предприятиями Управления судостроительной промышленности, Управления авиационной промышленности и Управления радиопромышленности и систем управления Федерального агентства по промышленности.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на 1-й и 2-й международных научно-практических конференциях «Системы и средства передачи и обработки информации» (г. Одесса, 1997 г. и 1998 г.) — на 7-й международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» (г. Одесса, 2006 г.).

По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 1 монография и 6 статей в журналах, рекомендуемых Перечнем ВАК.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных результатов диссертационной работы. Основной текст изложен на 92 страницах. Работа содержит 6 таблиц и 9 рисунков.

Список литературы

включает 106 наименований отечественных и зарубежных публикаций.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Тема диссертации находится в русле актуального направления, отвечающего запросам многих отраслей промышленности (в том числе предприятий Федеральных агентств оборонных отраслей промышленности) и имеющего своей целью создание эффективных методов и средств автоматизированного синтеза оптимальных БНК РЭС для АСУ.

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы, полученные лично автором, заключаются в следующем.

1. На основе системного анализа отечественных и зарубежных БЕК РЭС для АСУ навигационного оборудования морских объектов сформулированы перспективные направления их развития и получены статистические зависимости для расчета и прогнозирования определяющих показателей качества БНК как сложных иерархических систем.

2. Сформулирована общесистемная математическая постановка задач структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных типоразмерных рядов КП, КМ и системы БНК в целом, комплексно учитывающая перспективные требования создания и эксплуатации РЭС АСУ навигационного оборудования морской техники.

3. Разработаны пригодные для алгоритмизации математические модели системы БНК, учитывающие зависимости между практически необходимыми метрическими параметрами и трудоемкостями проектирования, подготовки производства, непосредственно производства и внедрения синтезируемых типоразмеров КП и КМ БНК.

4. Разработан общесистемный алгоритм структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных типоразмерных рядов КМ и системы БНК в целом, который обеспечивает решение задач большой размерности в условиях недостаточности априорной информации за практически приемлемое время на современных ЭВМ.

5. Разработан алгоритм многокритериального структурного и параметрического синтеза оптимального типоразмерного ряда КП, который обеспечивает возможность реализации синтеза оптимальных типоразмерных рядов всех КМ системы БНК при отсутствии ограничений на габаритные размеры КМ высшего уровня структурной иерархии БНК.

6. Разработано и внедрено специальное программное обеспечение автоматизированного многокритериального синтеза оптимальных типоразмерных рядов БНК как сложных иерархических систем, с использованием которого создана унифицированная система БНК для различных классов РЭС АСУ навигационного оборудования морских объектов, обеспечивающая повышение плотности компоновки РЭС на 20.30%, снижение сроков и стоимости их проектирования и производства на 30.40%, а также обладающая меньшим в 3.5 раз числом типоразмеров КП и КМ БНК по сравнению с аналогами.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы уже использованы при создании АСУ нового комплекса навигационного оборудования с применением спутниковой связи, которое было установлено на отечественном корвете «Стерегущий».