Математическое и алгоритмическое обеспечение синтеза многоуровневого электромонтажа АСУ по критериям производства

Важнейшим направлением решения системных задач развития экономики и повышения обороноспособности страны является разработка больших автоматизированных систем управления (АСУ) во всех сферах деятельности Федерального агентства по промышленности и Министерства обороны РФ. При этом главной задачей становится создание математических средств и методов проектирования этого перспективного класса АСУ.

Практика совершенствования АСУ показывает, что эффективность их внедрения в значительной степени зависит от конструкторской реализации радиоэлектронных средств (РЭС), которые занимают центральное место среди различных классов технических средств АСУ, как по наиболее широкому диапазону выполняемых функций, так и по объему производства. Общеизвестно, что существенные возможности повышения эффективности конструирования РЭС АСУ закладываются на этапе синтеза многоуровневого электромонтажа как сложных систем, который занимает 20−30% объема электронных модулей (ЭМ) и РЭС в целом и составляет до 30% трудоемкости их производства.

В своем развитии многоуровневый электромонтаж претерпевал множество изменений и совершенствовался вместе со схемотехнической, конструктивной и технологической базами создания новых поколений РЭС, а также с расширением области внедрения больших АСУ различного назначения в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.304 — 98.

Заниматься решением задач совершенствования многоуровневого электромонтажа, а именно выбором оптимального варианта (вида, метода, структуры, параметров) необходимо уже на ранних этапах создания базовых несущих конструкций (БНК), разработка которых существенно опережает разработку конкретных ЭМ РЭС, а также на ранних стадиях проектирования РЭС АСУ как сложных иерархических систем. На первый план выдвигается необходимость обеспечения требований высокой скорости и защищенности передаваемой информации, электромагнитной совместимости, нормального теплового режима, механической прочности, технологичности и, особенно, снижения сроков и стоимости разработки и производства.

Ретроспективный анализ вариантов многоуровневого электромонтажа и перспектив его развития показал, что комплексное решение задач проектирования и производства электромонтажа возможно только на основе разработки и внедрения средств и методов математического синтеза в отличие от используемого в настоящее время инженерного синтеза, реализуемого, как правило, на базе государственных и отраслевых стандартов, разработанных более 30 лет назад (см., например, ГОСТ 2 358 679 и ОСТ4 ГО.010.016−72). Однако системному исследованию и разработке этой актуальной проблемы не уделялось достаточного внимания.

Необходимость решения этой проблемы непосредственно связана с реализацией государственных и межотраслевых программ: «Целевая программа регулирования и развития оборонно-промышленного комплекса РФ» Минобороны РФ- «Разработка концепции комплексной унификации типоразмеров и компоновочных схем БНК для перспективных изделий РЭС» Минобороны РФ- «Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж стандартных электронных модулей» Госстандарта РФ и других.

Целью диссертации является совершенствование средств и методов структурного и параметрического синтеза многоуровневого электромонтажа на основе разработки математического, алгоритмического и программного обеспечения для построения АСУ. В соответствии с этим в диссертационной работе ставились и решались следующие основные задачи:

— разработка унифицированной системы перспективных количественных технико-экономических показателей качества многоуровневого электромонтажа РЭС АСУ;

— разработка целевой функции оптимизации и математической постановки задач структурного и параметрического синтеза многоуровневого электромонтажа РЭС АСУ;

— разработка математических моделей, учитывающих зависимости между производственно-технологическимии и структурно-геометрическими параметрами и показателями качества вариантов электромонтажа ЭМ различного уровня иерархии РЭС АСУ;

— разработка методик и общесистемных алгоритмов структурно-параметрического синтеза электромонтажа по совокупности практически значимых показателей качества;

— разработка специального программного обеспечения синтеза электромонтажа с учетом обеспечения требований проектирования, производства, эксплуатации и модернизации 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 предложен, разработан и исследован новый класс методов и средств анализа и синтеза электромонтажа, а также оптимизации его структуры и параметров с комплексным учетом реальных условий проектирования, подготовки производства, непосредственно производства и эксплуатации перспективных РЭС при создании больших АСУ различного назначения.

Принципиальный вклад в развитие исследований в области формализации задач проектирования и производства электромонтажа РЭС АСУ как сложных систем составляют следующие новые научные результаты, полученные лично автором:

— унифицированная система количественных технико-экономических показателей качества многоуровневого электромонтажа ЭМ любого уровня иерархии РЭС АСУ различного схемотехнического назначения и широкого диапазона условий эксплуатации;

— структура, методики расчета и анализа затрат на проектирование, подготовку производства и производство вариантов электромонтажа многофункциональных систем РЭС;

— критерии, состав ограничений и переменных векторной оптимизации электромонтажаобщая математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза многоуровневого электромонтажа РЭС АСУ;

— комплекс статистических математических моделей для анализа и синтеза вариантов электромонтажа ЭМ всех уровней структурной иерархии РЭС АСУ различного схемотехнического и эксплуатационного назначения;

— методики и общесистемные алгоритмы для структурного и параметрического автоматизированного синтеза электромонтажа РЭС АСУ с учетом обоснованно выбранных критериев, ограничений и переменных оптимизации.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Унифицированная система показателей качества электромонтажа, позволяющая определять технико-экономический уровень разработки электромонтажа по показателям стоимости и технологичности его производства, надежности, электромагнитной совместимости и другим, а также прогнозировать динамику развития вариантов электромонтажа и формировать перспективные требования к нему при создании новых поколений РЭС.

2. Методы, модели и алгоритмы векторной оптимизации структуры и параметров электромонтажа, позволяющие синтезировать компромиссные конструктивно-технологические решения в интересах всего процесса проектирования многоуровневых и многофункциональных РЭС за счет системного согласования экономического критерия оптимальности и технических показателей качества, комплексно учитывающих практически необходимые условия разработки, производства и эксплуатации РЭС и АСУ в целом.

3. Математическая постановка задач структурной и параметрической оптимизации вариантов многоуровневого электромонтажа, целевой функцией которой является минимизация материальных и технологических затрат на его производство, позволяющая проектировать высокоэффективные многоуровневые РЭС при построении перспективных распределенных АСУ различного назначения.

4. Комплекс разработанных и обоснованно выбранных экономико-математических и физико-математических моделей и методик для расчета, анализа и оптимизации стоимостных и конструктивных параметров и показателей качества перспективных вариантов электромонтажа, позволяющих построить эффективные алгоритмы решения задач синтеза, отличающихся высокой размерностью и недостаточностью априорной информации.

5. Программно-реализованные общесистемные алгоритмы синтеза вариантов электромонтажа, основанные на применении метода дискретного программирования — метода многократного отсечения по множеству разнородных и противоречивых критериев, ранжирования определяющих фиксируемых и управляемых параметров, эвристических приемов направленного перебора возможных вариантов и автоинтерактивного режима обработки информации, обеспечивающие решение задач структурной и параметрической векторной оптимизации электромонтажа за практически приемлемое время на современных ЭВМ.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании программного обеспечения (ПО) многокритериального синтеза оптимальных вариантов электромонтажа для перспективных РЭС АСУ различного назначения, позволяющих существенно повысить их технико-экономическую эффективность и увеличить диапазон решаемых задач. Результаты внедрения ПО широко использовались в НИОКР при создании АСУ для бортовых накопителей полетной информации (ЗБН-1-З сер. 3, РЗБН-1, БУР-СЛ сер. 9).

Реализация в промышленности. Результаты диссертационной работы были использованы при создании предприятиями Федерального агентства по промышленности унифицированной системы БНК для различных классов РЭС АСУ, которые соответствуют стандартам МЭК, что подтверждается соответствующими актами.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 9-й международной НПК «Системы и средства передачи и обработки информации» (г. Черкассы, 2005 г.) — на 6-й и 7-й международных НПК «Современные информационные и электронные технологии» (г. Одесса, 2005 г. и 2006 г.).

По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 1 монография.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных результатов диссертационной работы. Основной текст изложен на 148 страницах. Работа содержит 7 таблиц и 12 рисунков.

Список литературы

включает 71 наименований отечественных и зарубежных публикаций.

Результаты работы рекомендуется использовать в НИОКР, проводимых ФГУП НИИ «Автоматической аппаратуры» им. акад. B.C. Семинихина, ФГУП НИИ «Систем управления», ОАО «ЦНИИ «Техномаш», ОАО «ЦНИИ «Технологии судостроения» и на других предприятиях Федерального агентства по промышленности, занимающихся созданием новых поколений АСУ различного назначения.