Разработка методов структурирования и выбора вариантов в задачах автоматизированного конструирования радиоэлектронной аппаратуры

Разработка инновационных технологий проектирования радиоэлектронных средств (РЭС), а также способов обеспечения надежности и ремонтопригодности являются важнейшими задачами, позволяющими создавать конкурентоспособные изделия, способные обеспечивать должный уровень обороноспособности страны и народного хозяйства.

Проектирование современной радиоэлектронной аппаратуры — это комплексный системный процесс, в котором взаимно увязаны этапы выбора принципа действия, формирования функционального взаимодействия подсистем, схемотехническое, конструкторское, технологическое проектирование и обеспечение надежной эксплуатации.

В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с конструкторским этапом проектирования и обеспечением надежной эксплуатации РЭС. Особое место среди задач конструирования и обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры занимают задачи выбора оптимальных элементов и компонентов конструкций по совокупности показателей качества (ПК). Речь идет о широком применении методов конструирования РЭС, основанных на принципах функциональной и размерной взаимозаменяемости, получившей известность как «базовый принцип конструирования». В основу базового метода конструирования положено деление аппаратуры на конструктивно и схемно-законченные части, при этом реализуются принципы агрегатирования, функциональной и размерной взаимозаменяемости, применения унифицированных и стандартных элементов. Сегодня разработчикам доступны тысячи однотипных изделий одного функционального назначения и, несмотря на введение ограничительных нормалей, выбор оптимальных компонентов часто приходится осуществлять по десяткам характеристик, что делает проблему трудно разрешимой без привлечения средств и методов САПР. Отсюда, задачи выбора при конструировании РЭС особенно актуализируются. Важными являются также: задача обеспечения оптимальных замен при ремонтах радиоаппаратуры (выбор аналога по прототипу) и задача назначения оптимальной очередности ремонтов РЭС.

Все эти задачи объединяет единая методологическая база их решения, основанная на реализации процедур выбора и структурирования вариантов. Её создание и внедрение в инженерную практику требует развития теоретических основ, методов и инструментальных средств, способных решать задачи выбора и структурирования альтернатив с целью обеспечения высокой эффективности процесса конструирования и надежности РЭС.

Существенный вклад в решение проблем структурирования и многокритериального выбора альтернатив внесли такие признанные учёные как: Ю. М. Барышников, Т. М. Виноградская, JI.C. Гуткин, Н. С. Губонин, В. А. Горбатов, П. С. Краснощеков, Н. Н. Моисеев, О. А. Молодцов, И. П. Норенков, Д. И. Батищев, В. А. Камаев, И. М. Макаров, В. Д. Ногин, В. В. Подиновский, С. И. Травкин, В. В. Топорков, В. В. Федоров, В. Н. Якимец, А. Джоффрион, JL Заде, Р. Кини, Д. Нейман, Б. Роу, X. Райфа, Т. Саати, Т. Хемминг, и многие др.

Существующие методы решения задач выбора и структурирования альтернатив при проектировании РЭС обычно предполагают использование априорных, апостериорных и адаптивных критериев. При этом предполагается, что окончательный выбор осуществляет лицо, принимающее решение (ЛПР). Для реализации методов структурирования и выбора вариантов из исходных множеств целесообразно использовать неметрические безусловные, последовательно применяемые условные, или комбинированные критерии предпочтения, в зависимости от полноты имеющейся информации. В силу отсутствия доступного инвариантного методического и программного обеспечения возникает проблема создания методологии и разработки эффективного инженерного инструмента многоцелевого сравнения вариантов, установления порядка альтернатив на множестве критериев при выборе оптимальных (в принятом смысле) решений.

В диссертационной работе проводятся теоретические исследования, разрабатываются инвариантные компоненты новых методов конструирования и обеспечения надежности РЭС, основанные на дифференцированном подходе к решению задач структурирования и выбора вариантов, в зависимости от степени «информированности» ЛПР о приоритетах между ПК. Решаются вопросы проектного выбора элементов конструкций по адаптивным неметрическим критериям в пространствах ПК произвольной размерности, построения очередей на ремонт для однотипных изделий, установления рациональных замен компонентов при ремонтах РЭС. Предлагаются новые элементы технологии автоматизированного конструирования РЭС, основанные на применении аппарата фактор множеств при структурировании и выборе оптимальных вариантов элементов, компонентов конструкций.

Задачи, решаемые в диссертации, являются актуальными в связи с необходимостью развития инновационных методов проектирования, требующих получения рациональных решений при конструировании современных конкурентоспособных РЭС, а также при разработке наиболее целесообразных методик организации их ремонта на этапе эксплуатации.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Целью данной работы является разработка теоретических основ, формализованных методов и инструментальных средств решения задач критериального структурирования и автоматизированного выбора электронных элементов, деталей, материалов и конструкций РЭС по совокупности показателей качества для постановок произвольной размерности с использованием аппарата фактор множеств в ассоциативных структурах.

ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ В РАБОТЕ.

1. Проведение сравнительного анализа методов многокритериального выбора и структурирования альтернатив в САПР РЭС на основе аналитического обзора литературы. Формулировка основных задач, решаемых в работе.

2. Исследование свойств неметрических критериальных постановок с целью разработки методов структурирования вариантов по совокупности ПК, привязанные к разной степени информированности лица, принимающего решение ЛПР, включая последовательно применяемые критерии, построенные на оценке самих показателей качества в метакритериях. Разработка методов и алгоритмов построения очередей на ремонт РЭС для ЛПР с различной степенью априорной информированности.

3. Разработка и исследование формализованного аппарата формирования критериально настроенных структур вариантов, описываемых совокупностью ПК произвольной размерности с использованием фактор множеств окрестностей альтернатив для я-, Lи tzLкритериев.

4. Теоретическое исследование и разработка методов структурирования с помощью тг-расслоений и установления частичных и линейных порядков альтернатив в виде транзитивных и нетранзитивных графов на базе использования ассоциативных моделей фактор множеств.

5. Разработка методики и инструментальных средств установления наиболее оптимальных замен компонентов-прототипов при ремонте РЭС на основе оценки претендентов-аналогов по неметрическим и метрическим критериям с использованием ассоциативных структур фактор множеств.

6. Разработка алгоритмов и программных систем для реализации предложенных в работе методов.

7. Апробация и внедрение разработанных методов и программного обеспечения на примерах решения задач выбора оптимальных компонентов и блоков РЭС, оптимального выбора вариантов проектов (тепловых режимов блоков, вариантов групп резисторов и конденсаторов для пассивных RC микросборок), установления очередей на ремонт, и эффективных замен дефектных элементов-прототипов их аналогами при ремонте РЭС.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Для решения поставленных задач были использованы теория и методология системного анализа, теория выбора и принятия решений, теория графов, теория множеств и теория баз данных, а также аппарат булевой алгебры. Кроме того, применялись положения теории объектно-ориентированного программирования и теоретико-методологические основы построения САПР.

НОВЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

• Исследованы свойства безусловных и условных критериев выбора альтернатив, а также возможность представления множеств возможных вариантов.

МВВ) совокупностью окрестностей, что позволяет, формализовано строить частичные и линейные порядки в многомерных пространствах ПК произвольных размерностей с привлечением аппарата фактор множеств.

• Предложена методика последовательного многокритериального автоматизированного структурирования вариантов компонентов РЭС по совокупности ПК, основанная на неметрической оценке самих показателей качества в пространстве метакритериев, отвечающих целеполаганию ЛПР.

• Разработаны теория, методология и инструментальные средства для решения многомерных задач структурирования и выбора вариантов в ассоциативных матрицах, описывающих окрестности фактор множества различных порядков на базе неметрических п-, L-, и^{-критериев.} Установлены правила преобразования ассоциативных матриц фактор множеств с сохранением их размерности.

• Разработаны методы и алгоритмы построения очередей для ремонта РЭС, основанные на многокритериальном структурировании исходного множества объектов. Подход рассчитан на ЛПР, обладающего разной степенью информированности о предпочтениях ПК и предполагает установление частичного порядка, л—расслоений или квазилинейных порядковых структур очерёдности их ремонта. Аппарат установления предпочтений ремонтов объектов РЭС реализован посредством логических операций с окрестностями фактор множеств альтернатив для наиболее значимых ПК.

• Обоснована и решена задача замен электронных и конструктивных компонентов РЭС при их ремонте на близкие по параметрам аналоги. Разработанный в диссертации аппарат основан на использовании критериальной оценки претендентов для сравнения с прототипом по неметрическим и метрическим (СКО) критериям и использует процедуры пересечения фактор множеств окрестностей альтернатив.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

• Предложенные и разработанные в диссертации методы, модели и алгоритмы сравнения, выбора и структурирования вариантов позволяют более эффектовно решать задачи многокритериального выбора оптимальных компонентов при инновационном автоматизированном проектировании конструкций РЭС.

• Практическую ценность имеют разработанные в диссертации новые подходы и методы решения задач построения очередей на ремонты РЭС, посредством критериального структурирования в соответствии с объективной оценкой технического состояния объектов для разной информированности ЛПР. Предлагаемые методы позволяют адаптивно уточнять решения по мере изменения условий, накладываемых на показатели качества.

• Важными для практики являются методы решения задачи выбора оптимальных замен дефектных компонентов РЭС при ремонтах. Задача выбора аналогов по прототипу особенно актуальна в труднодоступных районах эксплуатации РЭС.

• Использование предлагаемых методик, алгоритмов и программ в НИИ и КБ, а также на ремонтных предприятиях, позволяет существенно повысить качество проектирования конструкций, эффективность ремонта и обслуживания РЭС.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

• Способ описания исходных и производных множеств альтернатив с помощью ассоциативных матриц окрестностей фактор множеств вариантов, а также механизмы операций над ними в разных критериальных постановках.

• Модель представления фактор множеств Q/R в виде ассоциативных структур вариантов и формализованный аппарат их преобразований для решения задач выбора вариантов и структурирования МВВ Q с использованием ки L-правил.

• Исследование свойств и формализованный аппарат реализации ки L-правил в AM фактор множеств.

• Механизм поиска решений при 71-, Lи nLструктурировании вариантов в ассоциативных структурах фактор множеств вариантов.

• Процедуры структурирования и выбора аналога по прототипу с помощью 71- и L-правил в ассоциативных матрицах фактор множеств, задаваемых диаграммами Хассе.

РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Разработанные в диссертации методы, алгоритмы и программы реализованы в виде методик и инструментальных программных средств. Все они прошли апробацию, и их эксплуатация подтверждена актами о внедрении. Программы «Выбор» и 111 111 «Очередь» внедрены в НИР и учебный процесс в МЭИ (ТУ) и в ВолГТУ (г. Волгоград), в ФГУ «ФИРО», в лаборатории информационных технологий и сертификации (г. Москва).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на семи международных конференциях: X, XI, ХП, XIII, XIV, XV «Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов» (Москва, МЭИ (ТУ), 2004 2008г.г.), на Международной научно-технической конференции к 100-летию со дня рождения В. А. Котельникова (Москва, МЭИ, 21−23 октября 2008 г.).

ПУБЛИКАЦИИ.

По теме диссертации было опубликовано 18 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 15 статей и тезисов в научных журналах РФ и на международных конференциях, 10 из них опубликованы без соавторов.

СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав с выводами, заключения, списка литературы и приложения (Акты о внедрении диссертационной работы). Общий объем диссертации 233 страницы, в том числе 90 рисунков, 81 таблица, список литературы из 96 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1. Проведен обзор литературных источников и дан сравнительный анализ основных работ в области теории многокритериального выбора и структурирования вариантов при решении задач САПР РЭС. Особое внимание уделено как теоретическим, так и методологическим аспектам их решения. Сформулированы наиболее актуальные задачи многокритериального структурирования и выбора вариантов при разработке и эксплуатации РЭС. Указано на необходимость разработки эффективных инструментальных автоматизированных средств их решения.

2. Проведено исследование основных свойств: сравнимости, полноты, силы неметрических критериальных постановок применительно к решению задач выбора и структурирования альтернатив. Исследованы возможные модели описания однородных вариантов МВБ Q, при этом особое внимание уделено моделям реляционного и ассоциативного типа. Разработаны правша построения таких моделей и правила их преобразования при решении задач критериального выбора и структурирования альтернатив.

3. Разработаны теоретические предпосылки и предлоэюена методика для установления очередей ремонтов РЭС для слабо, средне и достаточно информированного ЛПР, основанная, соответственно, на применении безусловных, последовательно применяемых и условных критериев. Новым элементом здесь является подход к решению задачи структурирования, основанный на установлении частичного порядка на показателях качества, который разбивает задачу на несколько последовательно решаемых задач в порядке приоритетов применяемых критериев.

4. Предложено решение задачи структурирования MBA Q, основанное на использовании окрестностей и фактор множеств альтернатив в ассоциативных матрицах. Показано, что транзитивный граф полного порядка для MBA Q с показателями качества более высоких размерностей может быть найден пересечением AM более низких порядков, причем результирующие столбцы с нулевыми элементами являются концевыми и недоминируемыми, а нетранзитивный граф частичного порядка может быть использован для компактного решения (без комбинаторных бинарных сравнений) задачи я-расслоения.

5. Разработаны два метода решения задачи п-расслоения в AM. Первый основан на последовательном «вычеркивании» строк и столбцов матрицы, фактор множества Q при движении по пБ-слоям. Второйпредполагает искусственное последовательное ухудшение элементов s-го нехудшего п3-слоя без изменения исходной размерности матрицы.

6. Предложены L-npaewia преобразования ассоциативных матриц фактор-множеств для установления квазилинейных и линейных порядков вариантов более высоких размерностей по ПК. Разработанный подход позволяет региать как задачи структурирования с последовательно применяемыми Lкритериями, так и с последовательно применяемыми п-критериями в любой их комбинации.

7. Разработаны теоретические предпосылки и методика выбора аналогов по заданным прототипам, основанная на двух подходах. В первом для оценки меры приближения к прототипу предложено использовать набор критериальных постановок, разработанных в диссертации, включая неметрические и метрические критерии (СКО), а также адаптивные последовательные процедуры МКВ. Во втором процедура поиска аналогов для прототипа строится на базе последовательных процедур логических операций с окрестностями прототипа в ассоциативных матрицах фактор множеств.

8. Разработаны инструментальные средства практического решения задач, поставленных и решенных в диссертации. В частности, разработаны алгоритмы и программы, позволяющие осуществлять ввод исходных данных для формирования однородных БД, формирования ассоциативных матриц, послойного выявления нехудших альтернатив, построения квазилинейных и линейных порядков, выбора аналогов по прототипам и алгоритмы создания дружественного пользователю, графического интерфейса.

9. Разработанные в диссертации теоретические положения продемонстрированы многими методическими и практическими примерами. В отдельную главу вынесены несколько методических примеров выбора аналогов по прототипу для инфракрасных охранных систем по различным критериальным постановкам, реализованным в операциях с фактор множествами, которые предложены в диссертации.

10. Все разработанные методы прошли апробацию при решении практических задач в САПР РЭС, НИР и ремонте РЭА. В качестве инструментальных средств были разработаны две программные системы: «ВЫБОР» и «ОЧЕРЕДЬ», которые внедрены в НИР и учебный процесс в МЭИ (ТУ) (два Акта о внедрении) и в ФГУ-ФИРО Министерства образования и науки РФ (акт о внедрении). Эти программы также проходят внедрение в ВолГТУ на кафедре «САПР и ПК».

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ.

Адаптивные процедуры выбора 34 Алгоритм.

— выбора я-оптимальных вариантов с использованием фактормножеств 84.

— выбора L оптимальных вариантов 106.

— определения нехудших альтернатив в результирующей ассоциативной матрице 92.

— определения нехудших альтернатив в фактор-множестве 84.

— поиска альтернатив-заместителей 135 Альтернатива-заместитель 132 Ассоциативная модель.

— данных 49.

— фактор множества 88 Диаграмма Хассе 38, 122 Задача.

— выбора 16, 119.

— выбора аналога 119.

Коррекция результирующей ассоциативной матрицы (РАМ) 92 Критерий.

— лексикографический 20, 122 -Парето 18, 121.

— остановки перемещения я-слоев 101.

— Слейтера 19 -интегральный 123.

Метод.

— исключения строк и столбцов 96.

— Подиновского 31.

— последовательного перемещения слоев 99.

— Саати 26.

— упорядочивания для слабоинформированного ЛПР 53.

— упорядочивания для среднеинформированного ЛПР 67.

— упорядочивания для достаточно информированного ЛПР 74.

— ЭЛЕКТРА 30.

Методы структурирования исходных множеств альтернатив.

— на основе л-расслоения 95.

Модели выбора.

— адаптивные 34.

— апостериорные 28.

— априорные 28 Нетранзитивный граф 132 Нетранзитивная дуга 132 Окрестность альтернативы 84.

— неразличимых вариантов 106 -прототипа 132 Пересечение.

— окрестностей 83.

— фактор множеств 87.

— ассоциативных матриц по л-правилу 91.

— ассоциативных матриц по L-правилу 112 Постановка задачи выбора аналогов по прототипу 117 Правило.

— 71 91.

— L 106 Прототип 118.

Реляционная модель данных 45 Свойства.

— ассоциативной матрицы 89.

— отношений 48 Транзитивная дуга 132 Фактор множество 83 Элемент.

— ассоциативной матрицы 89 -результирующей ассоциативной матрицы 91.