Одной из основных особенностей современной научно-технической революции является наличие противоречия между высокими темпами роста новых научных знаний и технических достижений и уровнем их использования при проектировании систем. Процесс проектирования сложной технической системы занимает длительное время. За последние 10 лет стоимость проектирования одного объекта увеличилась в 4 раза, объем чертежной документации — в 3,5 раза, продолжительность проектирования — почти в 2 раза, нагрузка на лиц, принимающих решения по выбору вариантов реализации систем — в 2,3 раза. Эти данные, приведенные в /38/, свидетельствуют о том, что эффективное решение вопроса проектирования сложных технических систем и радиоэлектронных устройств (РЭУ), в частности, возможно лишь при автоматизации всего процесса проектирования, т. е. использовании средств вычислительной техники на всех этапах проектирования. В настоящее время автоматизация проектных работ достигла высокого уровня на этапе конструкторских работ, где высок уровень формализации отдельных процедур проектирования.
Автоматизация всего процесса проектирования достигается автоматизацией выбранной последовательности процедур, для чего последние должны быть формализованы. Центральной проблемой, стоящей при проектировании оптимальных технических систем является проблема выбора наилучшего варианта проектного решения и непосредственно связанная с ней проблема оценки качества альтернативных решений. В [553 приведены признаки классификации задач принятия решений (ЗПР). По количеству целей и соответствующих целям критериев оптимальности ЗПР делятся на два класса: одноцелевые-одно-критериальные (скалярные) и многоцелевые или многокритериальные (векторные). Многомерность целей отображается вектором целей, каждая составляющая которого является целевой функцией. Как правило, частные цели являются противоречивыми, поэтому решение векторной задачи оптимизации может быть получено путем нахождения компромисса в достижении противоречивых целей. При этом может быть выделено множество неулучшаемых или Парето-оптимальных вариантов. Для выбора из этого множества одного оптимального варианта требуется сформировать некоторое условие, отражающее выбранный принцип компромисса. При системном подходе применяется иерархический принцип формирования компромисса в достижении частных целей, когда обеспечивается удовлетворение требований системы более высокого уровня иерархии к проектируемой системе. Векторная оптимизация находится на начальном этапе своего развития и процедуры выбора оптимального решения, как правило, реализуются на эвристическом уровне, что естественно препятствует автоматизации процесса проектирования в целом.
При системном подходе к проектированию векторная оптимизация проводится в два этапа: сначала осуществляется структурная оптимизация, т. е. выбор оптимальной структуры, а затем параметрическая оптимизация при выбранной структуре. Выбор оптимального варианта структуры сложной системы производится в многомерном пространстве целей — показателей качества, совокупность которых позволяет оценить степень удовлетворения каждым альтернативным вариантом цели функционирования и функциональных требований. Как отмечается в [401 «.исследователю, конструктору очень важно иметь достаточно канонизированную систему процедур, своеобразный алгоритм, который помогает ему найти наиболее простой путь к достижению поставленной цели» .
Выбор оптимальной структуры в настоящее время большинством исследователе й [14,17,33,34,38,43,51,53,56,60,61,63,65,68^ рассматривается и решается как задача скалярной оптимизации, для которой математический аппарат хорошо разработан. Как правило, в основе решения лежит допущение о неформализуемости этого этапа проектирования оптимальной системы 113,34,35]. Трудности формализации описания, генерации полного множества вариантов структур, сложность выбора оптимального варианта структуры приводят к тому, что «.сама методика оптимизации является предметом анализа с точки зрения возможности и целесообразности ее реализации в виде алгоритма [14]. Более того, признается [38], что «машинное решение многокритериальной задачи выбора невозможно. вследствие векторного характера оптимальности». Трудности в формировании критерия оптимизации заставляют исследователей различными методами «ска-ляризировать» векторный критерий, «сворачивать в глобальный», а оптимальный вариант структуры системы выбирать из ограниченного числа зачастую эвристически установленных вариантов, признавая невозможным рассмотрение полного их множества [9,14,34]. Однако,как офмечается в [18] «.достаточно обоснованное сведение векторного синтеза к скалярному часто невозможно, особенно на начальной стадии проектирования». И, хотя за последние годы вопросам векторной оптимизации уделялось серьезное внимание [13,14,19, 34,35,38,39,40,54,63,65,69], автору неизвестны работы, в которых было бы дано конструктивное решение задачи структурной оптимизации с применением векторного критерия. Нерешенность проблемы • структурной оптимизации радиоэлектронных устройств свидетельствует об актуальности темы исследования.
Диссертационная работа посвящена выбору методов и средств, ретающих задачу формализации и автоматизации этапа выбора оптимальной структуры радиоэлектронных устройств (РЭУ) в многомерном пространстве показателей качества. Целью диссертационной работы % является.
— формализация этапа структурной оптимизации радиоэлектронных устройств на основе использования топологии их структур ;
— разработка методики формирования оптимального варианта структуры РЭУ и выбора оптимального уровня резервирования РЭУ;
— разработка комплекса алгоритмов формирования оптимального варианта структуры РЭУ.
В результате исследования получены новые положения, которые выносятся на защиту:
— методика формирования оптимального варианта структуры РЭУ, со- * держащая этапы формирования полного множества Мд допустимых вариантов, множества М^ близких к оптимальному варианту, множества Mv нехудших вариантов и, наконец, оптимального варианта:
НЛ.
— методика выбора оптимального уровня резервирования на этапе структурной оптимизации РЭУ- - алгоритмы, позволяющие автоматизировать модифицированный метод матричных изображений «структурные матрицы систем» для формирования полного множества и множества допустимых вариантов струк-* тур РЭУ Мдмодифицированный метод ненаправленных ветвящихся графов для формирования множества М^ 0 близких к оптимальному варианту структур РЭУметод ориентированных графов для построения ориентированного графа альтернатив при выборе множества М нехудших вариантов структур РЭУ и оптимального варианта.
НА структуры РЭУ.
Первая глава диссертации посвящена исследованию путей формализации и автоматизации проектирования РЭУ. Освещены положения системного подхода к проектированию сложных технических систем и требования к векторному критерию оптимизации. Дан обзор топологических методов формализованного описания структур электронных схем и систем, проведено исследование особенностей проектирования оптимальных систем электропитания радиоэлектронных устройств и обоснованы конкретные задачи научных исследований.
Вторая глава посвящена разработке методики формирования полного множества Мд допустимых вариантов структур РЭУ. В этой главе изложен разработанный автором модифицированный метод структурных матриц и описаны методики формирования базовой структурной схемы, содержащей исходное множество структур РЭУ и формирования обобщенной структурной схемы, содержащей множество Мд вариантов структур РЭУ. Здесь же описаны алгоритмы формирования множества Мд вариантов структур РЭУ.
Третья глава посвящена разработке методики формирования множеств. М^ близких к оптимальному варианту структур РЭУ на основе формирования графа связей, связного графа и несвязного графа и описаны алгоритмы формирования множества М— Л вариантов структур о. о.
РЭУ.
Четвертая глава посвящена разработке методики формирования множеств Мнх нехудших и Мннеп&bdquo- «неподчиненных» вариантов структур РЭУ на основе построения ориентированного графа и выбору оптимального варианта структуры РЭУ на основе построения графа результирующих векторов качества на множестве Мпнеп". Здесь же обоснована возможность использования ориентированных графов для выбора оптимального уровня резервирования РЭУ на этапе структурной оптимизации. Описаны алгоритмы формирования множества Мнх РЭУ оптимального варианта структуры РЭУ и выбора оптимального резерва РЭУ на основе оценки структурной избыточности и отражена практическая реализация разработанных методик выбора оптимального варианта структуры РЭУ. I. ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ ФОРМАЛИЗАЦИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ (РЭУ) § I.I. Системный подход к проектированию радиоэлектронных устройств. Формализованное представление цели функционирования. При системном подходе проектируемая система рассматривается, с одной стороны как подсистема некоторой другой системы более высокого уровня иерархии, а, с другой — как система более высокого уровня иерархии по отношению к функциональным элементам, которые входят в ее состав. Теоретической базой системного подхода служит системный анализ, код которым понимается специфический познавательный аппарат, использующий специальные средства и методы для изучения свойств и закономерностей функционально целостных систем. В рамках системного анализа решаются проблемы, связанные с выбором 'цели функционирования системы. Для описания цели выбирается система ценностей, включающая показатели качества проектируемой системы, а также критерий, позволяющий установить наилучшее соответствие системы цели функционирования при заданном окружении, т. е. множестве элементов вне системы, изменение признаков которых влияет на систему и, в свою очередь, признаки которых изменяются под влиянием системы. Под оптимизацией понимается установление наилучшего соответствия системы цели функционирования при заданном окру. жении. При системном подходе к проектированию структура сложной йистемы, ее анализ занимает одно из главных мест, вследствие того, что «. для объектов большого масштаба определяющую роль играет структура системы, организация взаимодействия между ее частями.» .
91. При оптимизации структуры системы в общем случае определяется: число уровней иерархии, количество подсистем (элементов) на каждом уровне иерархии, функции, выполняемые на этих уровнях, и виды связей (функциональных, динамических, конструктивных) между подсистемами, обеспечивающих целостность системы.1 Выбор критерия оптимизации представляет собой важнейшую часть всей процедуры постановки целей, так как при одном и том же множестве вариантов систем и целей незначительная вариация критерия приводит к выбору новой системы. Выбранная совокупность показателей качества дает полное описание цели функционирования. Показателем качества системы может служить ее численная характеристика K*L > 1−4,171, которая связывается с оцениваемым качеством функционирования монотонной зависимостью, позволяющей выражать улучшение этого качества через увеличение (уменьшение) значения KL при прочих неизменных условиях. Каждая из составляющих вектора совокупного качества должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к показателям качества системы. В общем случае два варианта структуры проектируемой технической системы Si и S^ могут сравниваться по вектору совокупного качества лишь в тех случаях, когда выполняется одно из двух векторных неравенств:
K (S,")? K (Sa) или K (S")> K (Sa) (I.I).
Для исключения неоднозначности оценки, которая может проявиться не только в том, что сопоставляемые структуры и 2>г имеют одинаковые векторы качества, т. е.. но и в том, что одинаковое качество может описываться различными значениями вектора качества, необходимо, чтобы в составе вектора не было избыточных показателей качества. Критерий, представленный в виде (I.I) для всех K’L } 1=4, ГП при условии, что хотя бы для одного значения n L и неравенство выполняется строго, т. е. позволяет при сравнении вариантов выделить безусловно худший и поэтому называется безусловным критерием предпочтения (БКП). При векторной оптимизации структуры наличие векторного неравенства (безусловного критерия предпочтения) позволяет выделить из множества М^ 0 вариантов структур безусловно нехудшие, и, тем самым, отобрать структуры, которые являются оптимальными в отношении БКП. Для выбора одной оптимальной структуры требуется применять методы, основанные на введении условного критерия предпочтения (УКП). Для построения УКП в системном анализе применяются следующие методы:
— методы, основанные на получении результирующего показателя совокупного качества;
— минимаксные методы;
— методы, основанные на переводе всех показателей качества, кроме одного, в разряд ограничений типа равенств или неравенств ;
— комбинированные методы.
Полная совокупность исходных данных может быть разделена на четыре группы:
— совокупность внешних условий {.У-.} 7 1=Н, П, характеризующих окружение системы;
— совокупность ограничений, накладываемых на структуру системы и связанных с условиями оптимизации системы более высокого уровня иерархии. При этом ограничения, которые накладываются на структуру системы, могут быть слабые (задается тип структурной схемы: централизованная, децентрализованная, многоуровневая) или жесткие (задается состав элементов, межэлементные связи) ;
— совокупность показателей качества 0^}" } 1 -4,/Tl системы, представленная в виде перечня характеристик, которые выбираются для оценки совокупного качества системы без указания величины отдельных составляющих KL вектора качества;
— совокупность ограничений {0К[}, LM. t, накладываемых на отдельные показатели качества при выборе совокупного показателя.
При решении задачи структурной оптимизации технических систем на базе системного подхода применяется комбинация методов, использующих безусловный и условный критерии предпочтения. С помощью БКП при сформированной совокупности исходных данных О^У, 0S| О*} сопоставляется ряд вариантов структур и выбираются из них оптимальные относительно БКП. Затем, применяя УКП, из отобранных вариантов структур определяется один, который считается оптимальным. Соответственно этому можно сформулировать задачу проектирования оптимальной структуры РЭУ: сформировать такую структуру РЭУ, ко- ^ торая удовлетворяет полной совокупности исходных данных{К^ЬДс} I и характеризуется экстремальным значением результирующего показаI теля совокупного качества.
Методика [47] структурной оптимизации технических систем в многомерном пространстве показателей качества, базирующаяся на системном подходе к проектщюванию, включает несколько последовательных этапов. На первом этапе выбирается совокупность внешних условий, характеризующая окружение проектируемой системы, и обосновывается состав вектора показателей качества, которые рассматриваются как ее составляющие. На этом этапе формируется ограниченное множество вариантов структур, удовлетворяющее совокупности внешних условий и показателей качества [К, У). Затем формируется совокупность ограничений (Os), накладываемых на структуру проектируемой системы и связанных с условиями оптимизации системы более высокого уровня иерархии. Используя совокупность ограничений на структуру {Qs}, из множества вариантов структур, удовлетворяющих совокупности {К, У), выбираются допустимые варианты структуры. Сформированное на этом этапе мнозиество мд допустимых вариантов структур удовлетворяет совокупности {К, У,0 $} показателей качества, внешних условий и ограничений на структуру. Затем рассматривается полная совокупность исходных данных {K^UjO^Ok} и из множества допустимых вариантов струкисследуемое нможестбо Патент ы, а техническая литература совокупность исосоФны* данных Пока^ате/т кичест&а •{ К } > ч бнещкие у с ло£ ия^ { У ] ограниченное Мнозкестйо OSt>Sui, GHHae функциональная схем а.oGpq., Зъноидая MHOjftecmSo Вариантов струк/пур, цъо Влет борз wubze совокупности {У, К}.
Логический срцяьтр, Соб окупи ост b ограничении на * структуру {об}.
1 ' ¦ - 1 '.
Отсрцдьтро йан-(чнозкестйо, «Допустимые варианты структур, cSpa^yкз ш, це множество {Мд}.
1 i 1 Л ' ** '.
Логический, фиЛ4.>Т|р Совокупность ограничении на показатели- «ачестоа.
• ^ 1 * - у.
От^ипшробан-ное d MHojfcecfnoo Бяиусие к ортикаль н<*му Варианту смрцыпуры, oSpa$ ук>1цие множество {ms'.Q}- '.
Логический ' срцЛьтр Безусловный критерии предпочтения С бкго? ЬидеВгк^орнозо нгра^нстба ,(.*7Г*> i '1 I.
Отсрщг<�о*проВац~ но<�Ь 0 MHo^tetmbo ЙехуЭшие варианты ' структур t образу -4ow, ue t множество {мнх} «.
Логическийфильтр Условный критерий преОпо"/гясния (укп) 8 Шв р? Еул">тирук>и"., оао показателя совокупного ка-честна Кр
Отсрадьтро&аннос * о ¦ МНО->/(СстЬо Оптимальный вариант структуры рис. A тич’еекии алгоритм Выбора оптимальной стру^и^ры РТС тур, используя совокупность ограничений на показатели качества {0Klj выбираются варианты структур, близкие к оптимальному M^ Q На завершающем этапе из ограниченного множества вариантов структур М^ 0 выбираются варианты, оптимальные относительно безусловного критерия преддочтения, образующие множество нехудших вариантов структур. Из множества нехудших структур выбирается одна, оптимальная относительно условного критерия предпочтения.
Методика структурной оптимизации [47] технических систем формализована лишь на завершающем этапе выделения нехудших вариантов структур и оптимального варианта структуры. Предваряющие этапы методики неформализованы и основаны на эвристических процедурах. Последовательность эвристических процедур формирования оптимальной структуры системы, содержащей перечисленные этапы [47]?приведена на рис. 1.1.
Основные результаты работы были доложены: на Всесоюзной НТК «Проблемы преобразовательной техники» АН УССР (Киев 1979 г.).
На ХХШДХУ областной НТК НТО РЭС им. Попова (Новосибирск 1980, 1982 г.).
На секции «Задачи преобразовательной техники» НТО им. Вавилова.
Ленинград, 1979,1980 г.).
На ХХХП, ХХХШ НТК проф.-преп.состава ЛЭИС;
На XXI? НТК проф.-преп.состава ЛЭИС, посвященной 50-летию института и опубликованы в трех научно-технических статьях и двух научно-технических отчетах.
Утверждав' директора предприятия научной работе.
Е. Федоров 1980 г.
А К Т.
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ.
РАБОТЫ ШРАШИНА В.В. на тему: «Структурная оптимизация радиотехнических ометеи в многомерном пространстве показателей качества на основе токологически методов» «.
Настоящий акт составлен в том, что результата диссертационной работы тов. Шракулина В «В. наша практическое использование при вшод-гении опнтао-конструхторской работн в части выбора структурных схемнетемы вторичного электропитания (СВЭП) цифровых вычислительных средся.
Использована методика выбора оптимального варианта структуры 5ВЭП, содержащая: а) методику формирования множества допустима вариантов структур ЗВЭП — б) методику формирования множества близких х оптимальному варианту структур СВЭП — в) методику выбора множества нехудцих вариантов структур СВЭП.
В настоящее время при проектировании СВЭП перспективных изделий пользуются также алгоритмы выбора оптимального варианта структуры СВЭП, разработанные тов. Каракулиным В. В. и приведенные в его диссертационной работе*.
Использование научных результатов диссертации позволяет сжкра-гить срок it проектирования и объем макетирования структуры СВЭП за зчет применения ее математического моделирования*.
— 165 — г. кидаемый экономический аффект от внедрения результатов диссертационной работы на отадии проектирования составляет около 9 тыс. РУб.
Начальник научно-исследовательского отделения д.т.н., профессор Бальяи Р. Х,.
Начальник научно-исследовательского отдела >4^,.
Русин D. C*.
Зам «начальника науИно- ,.
— исследовательского сектора Кораблинов U.H.
Старший научны! сотрудник /7 к.т.н.Яхямович И.З.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Проведенные исследования подтвердили практическую осуществимость цели диссертационной работыформализации и автоматизации этапа структурной оптимизации радиоэлектронных устройств (РЭУ) на основе топологических методов. Тем самым обеспечена защита новых положений, сформулированных в процессе исследования:
— методики формирования оптимального варианта структуры РЭУ;
— методики выбора оптимального уровня резервирования РЭУ на этапе структурной оптимизации ;
— комплекса алгоритмов, формализующих процедуры формирования оптимального варианта структуры РЭУ.
Основные научные результаты работы сводятся к следующему:
1. На основании проведенного исследования разработана методика структурной оптимизации радиоэлектронных устройств (РЭУ) в многомерном пространстве показателей качества с помощью топологических методов. При разработке методики были решены частные задачи формализации описания структур РЭУ, формирования множества Мд допустимых вариантов структур РЭУ. Формирования множества близких к оптимальному варианту структур РЭУ. Формирование мноявства Мнх нехудших вариантов структур РЭУ и оптимального варианта структуры РЭУ.
2. Разработана методика выбора оптимального уровня резервирования структуры РЭУ, оптимизированной с помощью топологических методов.
3. Предложен модифицированный метод структурных матриц, дающий возможность использования данных о топологии радиоэлектронных устройств при их структурной оптимизации.
4. С помощью модифицированного метода структурных матриц осуществлена формализация процедуры формирования обобщенной структурной схемы, содержащей ограниченное множество Мд допустимых вариантов структур РЭУ.
5. На основании проведенного исследования показана целесообразность применения метода ненаправленных графов для преобразования организованного множества элементов и межэлементных связей, содержащихся в упорядоченной структурной матрице в связном виде, в несвязное множество Мд вариантов структур РЭУ.
6. Для выделения из множества Мд вариантов структур, существование которых на начальном этапе проектирования являлось труднопредсказуемым, разработан метод, основанный на построении графа связей, связного графа и несвязного графа. Использование этого метода дает возможность сформировать множество М^ 0 близких к оптимальному варианту структур РЭУ.
7. Предложен способ классификации альтернатив, принадлежащих множеству нехудших Мнх, основанный на введении в это множество условной нехудшей альтернативы — «лучшей из нехудших», и позволяющий сформировать систему предпочтений путем использования топологического метода ориентированных графов.
8. На основе предложенного способа классификации нехудших альтернатив получен критерий выбора оптимального варианта структуры РЭУ в форме, пригодной для учета требований системы более высокого уровня иерархии.
9. С помощью метода ориентированных графов осуществлено формирование множества нехудших вариантов структур РЭУ Мнх и оптимального варианта структуры РЭУ с необходимым резервированием.
Разработанная автором методика может быть использована для структурной оптимизации элементов РЭУ на более низких уровнях иерархии.
Практическим результатом диссертационной работы является: I. Разработка комплекса алгоритмов, образующих библиотеку алгоритмов САПР оптимальной структуры РЭУ:
— алгоритм формирования обобщенного перечня элементов базового множества РЭУ;
— алгоритм формирования обобщенного перечня межэлементных связей базового мнояества РЭУ;
— алгоритм формирования исходной структурной матрицы, содержащей базовое множество структур РЭУ;
— алгоритм выделения множества выходов и мнояества входов РЭУ;
— алгоритм упорядочения структурной матрицы РЭУ;
— алгоритм задания полного множества межэлементных связей вариантов структур РЭУ;
— алгоритм формирования полного множества допустимых межэлементных связей вариантов структур РЭУ;
— алгоритм формирования графа связей;
— алгоритм формирования связного графа;
— алгоритм I и алгоритм П формирования деревьев несвязного графа;
— алгоритм I и алгоритм П выделения мнояества «неподчиненных11 вершин Мдх и оптимального варианта структурной избыточности на графе.
2. Разработка по имеющейся библиотеке алгоритмов библиотеки программ на алгоритмическом языке Ф0РТРАН-1У, ориентированных на использование ЕС ЭВМ".
Созданные алгоритмы и программы внедрены на предприятии В-2962 отрасли (общая годовая эффективность составляет 9000 рублей).
