Методология построения распределенных АСУПО совокупности производственно-экономических показателей качества

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методология построения распределенных АСУПО совокупности производственно-экономических показателей качества

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

качество конструкторский асу электромонтаж

Актуальность проблемы. Решение комплексной проблемы существенного ускорения социально-экономического развития страны и ее обороноспособности непосредственно связано с радикальным повышением эффективности и темпов роста масштаба отечественного производства конкурентоспособных на внутреннем и внешнем рынках изделий новой техники во всех отраслях промышленности. Одним из ключевых направлений успешного решения этих задач является интенсификация разработки и внедрения высокоэффективных больших распределенных автоматизированных систем управления (АСУ) различного назначения. При этом главной задачей становится создание принципиально новых методов и средств синтеза перспективного класса АСУ ? создание новой методологии построения больших распределенных АСУ с высокими производственно-экономическими характеристиками, соответствующими классам 1 - 3 (стационарная, морская и авиационная техника) по ГОСТ РВ 20.39.304-2003 «Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам». Под большими распределенными системами АСУ подразумеваются системы управления навигационным оборудованием подводных и надводных судов, летательных аппаратов и подвижных наземных объектов; разведывания на шельфах нефти-газодобычи непосредственно с морских объектов с применением гиростабилизированных платформ; АСУ специального назначения, устанавливаемых на различных объектах-носителях по классам 1 - 3 вышеназванного ГОСТа с использованием систем и средств передачи и обработки информации (ССПОИ) по волоконно-оптическим и космическим сетям связи. Как правило, большие распределенные системы АСУ включают в себя подводные и наземные стационарные объекты управления, непосредственно связанные через ССПОИ с управляемыми подвижными морскими, наземными и авиационными объектами-носителями.

Как показывают исследования мировой и отечественной практики совершенствования АСУ вышеперечисленных классов (в том числе больших производственно-технологических АСУТП, АСУП и других, обеспечивающих построение перспективных распределенных АСУ на всех этапах их создания) эффективность внедрения достижений науки и техники, прежде всего в микроэлектронике, схемотехнике и технологии в значительной степени зависит от их реализации при создании радиоэлектронных средств (РЭС), которые занимают центральное место среди различных классов технических средств АСУ, как по наиболее широкому диапазону выполняемых функций, так и по объему серийного производства, что отмечено в работах известных ученых (см., например, Трапезников В.А. Управление и научно-технический прогресс. - М.: Наука, 1983. - 248 с.; Мамиконов А.Г. Основы проектирования АСУ. - М.: Высшая школа, 1981. - 276 с. и Гаскаров Д.В., Вихров Н.М. Управление и оптимизация научно-технических процессов. - СПб.: Энергоатомиздат, 1995. - 302 с.).

При этом существенные возможности повышения эффективности больших распределенных АСУ закладываются, в основном, на этапе синтеза электрического монтажа (в дальнейшем - электромонтажа), который занимает 20-30% объема электронных модулей (ЭМ) и РЭС как сложных иерархических систем в целом, и составляет до 30% трудоемкости их производства (ГОСТ Р 52003-2003 «Уровни разукрупнения радиоэлектронных средств. Термины и определения»). В своем развитии электромонтаж претерпел множество изменений и совершенствовался вместе со схемотехнической, конструктивной и технологической базами создания новых поколений РЭС и с расширением области внедрения, главным образом, больших распределенных АСУ народнохозяйственного и военного назначения. На сегодняшний день существует и в перспективе предполагается сохранение разделения электромонтажа на внутриблочный, межблочный и внешний.

Следует отметить, что для повышения эффективности больших распределенных АСУ особое внимание необходимо уделять межблочному электромонтажу, который занимает наиболее значительный объем конструкций ЭМ РЭС и имеет высокую трудоемкость (стоимость) производства.

Заниматься решением задач совершенствования электромонтажа, а именно выбором оптимального варианта (вида, метода, структуры, параметров) и правильным применением электромонтажа, необходимо уже на этапе построения системы базовых несущих конструкций (БНК) для больших распределенных АСУ (см. ГОСТ Р 50756.0 - 2000 «Конструкции несущие базовые радиоэлектронных средств. Типы. Основные размеры» и ГОСТ Р 51623 - 2000 «Конструкции несущие базовые радиоэлектронных средств. Система построения и координационные размеры»), а также на ранних стадиях создания АСУ как сложных иерархических систем. В этом проявляется системность подхода, которая позволяет реализовать многие преимущества БНК как составной части РЭС и создать благоприятные условия для адаптации электромонтажа к разрабатываемым ЭМ различного уровня иерархии (Максимов А.В. Системный подход к проектированию базовых несущих конструкций радиоэлектронных средств. - СПб.: СПб.ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 1997. - 118 с.).

В настоящее время электромонтаж играет все более значительную роль в обеспечении ключевых требований качественного и надежного функционирования создаваемых больших распределенных АСУ различного назначения. Исследования показали, что в настоящее время на первый план выдвигаются требования по снижению сроков и стоимости разработки, подготовки производства и непосредственно производства, а также необходимости обеспечения требований высокой скорости и защищенности передаваемой информации, электромагнитной совместимости, нормального теплового режима и механической прочности, которым недостаточно уделялось внимания в зарубежных и отечественных разработках электромонтажа больших распределенных АСУ (Марка Д., МакГоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования / Пер. с англ. - М.: МегаТехнология, 1993. - 240 с.).

Анализ современных видов, методов и производственно-экономических характеристик электромонтажа, а также перспектив их развития показал, что комплексное решение задач синтеза электромонтажа возможно только на основе исследования, разработки и внедрения методов и средств новой методологии синтеза электромонтажа (в отличие от существующего эвристического синтеза электромонтажа).

Отсюда развитию математической методологии системного исследования и разработки актуальной государственной проблемы создания электромонтажа АСУ до настоящего времени не уделяется должного внимания, что подтверждается малым количеством публикаций. Не сформулирована задача выбора оптимальных видов, методов и параметров электромонтажа; не разработаны математические модели, отражающие взаимосвязь производственно-экономических показателей качества больших распределенных АСУ с их основными схемотехническими, прочностными, конструктивными, технологическими, электромагнитной совместимости и другими параметрами и показателями качества; недостаточно сведений в литературе о математических моделях, алгоритмах и программных средствах автоматизированного выбора оптимальных вариантов электромонтажа для ЭМ различного уровня структурной иерархии больших распределенных АСУ.

Актуальность исследования и решения задач математического синтеза оптимальных вариантов электромонтажа системы ЭМ при создании распределенных АСУ широкого назначения подтверждается комплексом НИОКР, проводимых ведущими предприятиями и организациями в рамках государственных целевых программ: «Развитие морской техники»; «Регулирование и развитие оборонно-промышленного комплекса»; «О координации деятельности в области промышленной автоматизации и системостроения»; «Российские верфи»; «Российская электроника» и программы Минобороны РФ «Разработка концепции комплексной унификации типоразмеров и компоновочных схем БНК для перспективных изделий АСУ» и других. Поэтому решение комплексной проблемы существенного ускорения социально-экономического развития страны и повышения ее обороноспособности вызывает усиление тенденции к расширению сети больших распределенных АСУ, обладающих различными вариантами электромонтажа. Это также обусловливает быстрое возрастание требований к перспективным АСУ, представляющим собой сложную совокупность контрольно-измерительных, приемо-передающих и многих других функциональных устройств. Отсюда, повышение эффективности и темпов создания больших распределенных АСУ является актуальной государственной проблемой, которая должна постоянно находиться в центре внимания и подвергаться углубленным исследованиям специалистов в области создания АСУ и их высокоэффективного электромонтажа.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы - повышение эффективности конструкторско-технологической реализации распределенных АСУ путем создания методологии синтеза многоуровневого электромонтажа с учетом производственно-экономических показателей качества. В соответствии с этим в диссертационной работе ставились и решались следующие задачи: исследование и разработка качественных и количественных характеристик различных вариантов электромонтажа АСУ и построение на этой основе унифицированной системы перспективных производственно-экономических показателей качества; построение целевой функции оптимизации и математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза электромонтажа АСУ как сложных иерархических систем; разработка пригодных для алгоритмизации математических моделей, учитывающих зависимости между производственно-технологическими и структурно-геометрическими параметрами и показателями качества перспективных вариантов электромонтажа ЭМ всех уровней иерархии АСУ; разработка методик и экономичных частных и общесистемных алгоритмов структурного и параметрического синтеза электромонтажа больших распределенных АСУ по совокупности показателей качества; разработка и внедрение специального программного обеспечения синтеза электромонтажа с учетом требований производства, эксплуатации и модернизации АСУ как сложных иерархических систем; исследование на основе машинного эксперимента эффективности перспективных вариантов электромонтажа при изменении практически значимых критериев и ограничений на синтезируемые структуру и параметры автоматизированной системы управления.

Методы исследований. 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 АСУ.

Научная новизна. В диссертационной работе предложена методология нового класса методов и средств анализа и синтеза многоуровневого электромонтажа, а также оптимизации его структуры и параметров с комплексным учетом реальных условий подготовки производства, непосредственно производства и эксплуатации при создании больших распределенных АСУ различного назначения. Автором получены следующие новые научные результаты в области методологии построения распределенных АСУ с высокими производственно-экономическими показателями качества:

- общесистемная классификация качественных показателей известных способов (видов, методов) электромонтажа, которые включают в себя более 50-и показателей качества и отражают в себе все стадии создания АСУ;

- унифицированная система перспективных производственно-экономических показателей качества электромонтажа (ЭМ) любого уровня иерархии АСУ различного схемотехнического назначения и широкого диапазона условий эксплуатации;

- структура, методика расчета и анализа технологических затрат на производство перспективных вариантов электромонтажа АСУ, компонуемых, как правило, на основе унифицированных БНК;

- критерии, состав ограничений и переменных оптимизации электромонтажа; общая математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза межблочного электромонтажа многоуровневых АСУ;

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

- методики, частные и общесистемные алгоритмы для структурного и параметрического синтеза электромонтажа АСУ с учетом обоснованно выбранных критериев, ограничений и переменных оптимизации;

- принципы организации и состав специального программного обеспечения выбора оптимальных видов, методов, структурных и геометрических параметров электромонтажа при построении перспективных АСУ.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- методология определения производственно-экономического уровня разработки электромонтажа по показателям стоимости и технологичности его производства, надежности, электромагнитной совместимости, а также другим показателям, которая позволила прогнозировать динамику развития вариантов электромонтажа и сформулировать перспективные требования к нему при создании новых поколений больших распределенных АСУ;

- методология оптимизации структуры и параметров электромонтажа, которая позволила синтезировать компромиссные конструктивно-технологические решения в интересах всего процесса синтеза многоуровневых и многофункциональных АСУ за счет системного согласования экономического критерия оптимальности и технических показателей качества, комплексно учитывающих практически необходимые условия разработки, производства и эксплуатации АСУ в целом;

- методология структурного и параметрического синтеза, которая обеспечивает оптимизацию различных вариантов межблочного электромонтажа и создает возможность минимизации технологических затрат на его производство, и обеспечивает возможность синтеза высокоэффективных многоуровневых больших распределенных АСУ различного назначения;

- 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, который позволил построить эффективные алгоритмы автоматизированного решения сформулированных задач синтеза, отличающихся высокой размерностью и недостаточностью априорной информации;

- общесистемные и частные 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, которые обеспечивают решение задач структурной и параметрической оптимизации электромонтажа за практически приемлемое время на современных ЭВМ;

- применение прогрессивных принципов построения специального программного обеспечения синтеза вариантов электромонтажа с учетом организации функционального взаимодействия программных компонентов моделирования электромагнитных, теплофизических, механико-прочностных и других процессов, что позволило практически реализовать действительно системный подход к оптимизации структуры и параметров электромонтажа и существенно повысить экономическую эффективность, технический уровень и качество разработки и производства перспективных АСУ.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании методов и средств автоматизированного структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных вариантов электромонтажа для перспективных АСУ различного назначения. Практические результаты работы используются при создании системы новых государственных стандартов в соответствии с «Межотраслевой программой комплексной унификации, стандартизации и развития БНК РЭС» Российского агентства по промышленности и программой Госстандарта РФ «Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж стандартных электронных модулей». Результаты работы используются в учебном процессе Северо-Западного государственного заочного технического университета и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Реализация в промышленности. Результаты диссертационной работы в виде разработанных и программно реализованных алгоритмов структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных вариантов электромонтажа были использованы при создании ведущими предприятиями Федерального агентства по промышленности (главным образом, Управления по системам управления и другими) унифицированной системы БНК для различных классов АСУ, соответствующей перспективным стандартам МЭК и не уступающей лучшим мировым аналогам. Результаты диссертационной работы в виде математических моделей, алгоритмов и программ также используются в НИОКР, проводимых предприятиями Федерального агентства по промышленности (судостроению, системам управления, авиационной промышленности, в частности: ООО «НПП «ЭлектроРадиоАвтоматика-Р», г.Санкт-Петербург; ОАО «НПО «Прибор», г.Санкт-Петербург; ООО «Форт-Телеком» г. Пермь; ЗАО «ЦНИИ «ТрансЭлектроПрибор», г. Санкт-Петербург), что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 1?й и 2?й международных НПК «Системы и средства передачи и обработки информации» (г. Одесса, 1997, 1998 г.г.); на межотраслевой НПК «Полигоны ВМФ контроля физических полей объектов, их состояние и развитие» (г.Санкт-Петербург, 2003 г.); на 7-й и 8-й международных НПК «Современные информационные и электронные технологии» (г. Одесса, 2006, 2007 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 3 монографии, 9 статей в журналах, рекомендованных Перечнем ВАК, и 3 учебных пособия в СПб.ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. Написано 12 разделов в 16 научно-технических отчетах по НИОКР (инв. № предпр. 368/89, 296/90, 581146, 2486, 32418 и другие).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и основных результатов работы. Текстовый материал изложен на 251 странице. Работа содержит 9 таблиц и 36 рисунков. Список литературы включает 108 наименований отечественных и зарубежных публикаций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе системных исследований классифицированы и охарактеризованы современные способы электромонтажа больших распределенных АСУ; проведен сравнительный анализ перспективных способов электромонтажа, а также известных методов и средств его структурного и параметрического синтеза; разработаны эффективные варианты конструктивно-технологической реализации прогрессивного многоуровневого межблочного электромонтажа и, благодаря вышеперечисленному, дана содержательная постановка задач диссертационной работы.

При этом системные исследования проведены на основе ретроспективного анализа созданных за последние два десятилетия отечественных и зарубежных АСУ различного назначения, в том числе больших распределенных и интегрированных АСУ, включающих в себя многоканальные ССПОИ (особенно, перспективные волоконно-оптические).

Обоснованно, что электромонтаж занимает одно из ведущих положений при создании высокоэффективных многофункциональных и многоуровневых АСУ различного схемотехнического назначения и широкого диапазона условий эксплуатации, особенно, при построении больших распределенных АСУ. Это относится, особенно, к подготовке производства, непосредственно производству и, в конечном счете, к надежной и удобной эксплуатации АСУ, компонуемых, как правило, на основе унифицированной системы БНК.

Необходимость рентабельного и радикального решения множества противоречивых и разнохарактерных задач построения новых поколений перспективных АСУ влечет за собой поиск и реализацию перспективных методов и средств разработки электромонтажа. Важность повышения производственно-экономической эффективности электромонтажа определяется его значительной стоимостью (трудоемкостью) создания и большим занимаемым объемом, качественными и количественными показателями функционирования РЭС, и характеризуется широким спектром исследованных существующих и перспективных способов (видов, методов), а также вариантов применения электромонтажа как системных объектов (см. рис.1, табл. и рис.2).

В целом проведенные системные исследования состояния и тенденций развития различных способов (видов, методов) электромонтажа и вариантов их конструктивно-технологической реализации показали постоянно возрастающую роль электромонтажа в технико-экономическом прогрессе АСУ в связи с существенными потенциальными возможностями формирования в электромонтаже практически необходимых требований на всех стадиях его создания при построении

Рис. 1. Широко применяемые БНК для различных классов перспективных АСУ: 1 - стойка; 2 - блок (блок с ячейками); 3 - тележка с измерительными приборами; 4 - настольный прибор; 5 - пульт; 6 - вставной каркас (секция, кассета) с блоками (ячейками).

Таблица Виды, методы и варианты применения электромонтажа АСУ как сложных иерархических систем

Вид электромонтажа	Метод электромонтажа	Варианты применения
Жгутовой	Пайка Накрутка	Кассеты в стойках Блоки, ячейки в кассетах Ячейки в блоках
Отдельными проводниками	Накрутка Пайка	Блоки, ячейки в кассетах Ячейки в блоках
Ленточными кабелями (ЛК)	Пайка Врезание	Кассеты в стойках Ячейки в блоках
Гибкими печатными кабелями (ГПК)	Прижим Пайка	Кассеты в стойках Ячейки в кассетах Ячейки в блоках
Волоконно- оптическим кабелем	Сварка	Кассеты в стойках Блоки, ячейки в кассетах Ячейки в блоках
Кроссплатами, то естьжесткими платами печатного монтажа (ППМ), в том числе гибкими печатными платами (ГПП)	Пайка	Блоки, ячейки в кассетах Ячейки в блоках
Комбинированный:- кроссплата - жгут- кроссплата - отдельные проводники - кроссплата - ЛК - кроссплата - ГПК	Пайка, накрутка Накрутка, пайка Пайка, врезание Прижим, пайка	Блоки, ячейки в кассетах Ячейки в блоках

Естественно, что необходимость в тщательном обосновании множества вышеперечисленных требований, принимаемых при создании электромонтажа, а также требований по ускорению темпов и снижению стоимости разработки и изготовления АСУ определяет актуальность сбалансированного комплексного подхода при синтезе электромонтажа. Широко используемые в настоящее время эвристические методы и средства синтеза электромонтажа не обеспечивают рационального решения этой задачи в связи с ее сложностью, которая наиболее существенно характеризуется следующими факторами:

- внедрением ЭМ, построенных с применением новых физических принципов функционирования и изделий электронной техники (ИЭТ) сверхвысокой степени интеграции;

- тенденцией к созданию единой унифицированной системы БНК, позволяющей создавать АСУ различного схемотехнического назначения и для широкого диапазона условий эксплуатации;



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Перспективные способы многоуровневого электромонтажа АСУ перспективных АСУ.

необходимостью создания и широкого внедрения больших распределенных и интегрированных АСУ, особенно, с использованием перспективных волоконно-оптических систем передачи и обработки информации;

дискретностью значений большинства параметров электромонтажа, определяемой, в основном, утвердившейся иерархической структурой ЭМ; стандартизацией типоразмерных рядов ИЭТ; соединителей и кабельных изделий; поисковым характером математического синтеза электромонтажа, связанным с необходимостью многовариантного анализа и оптимизацией проектных решений в условиях большого количества разнообразных и противоречивых критериев и ограничений.

Во второй главе на основе системных исследований сформулированы и решены определяющие вопросы методологии формализации задач многокритериального структурного и параметрического синтеза электромонтажа, являющегося системным объектом для ЭМ любого уровня структурной иерархии при построении больших распределенных АСУ, в том числе с использованием перспективных волоконно-оптических систем передачи и обработки информации.

Установлено, что главным действующим фактором, определяющим специфику проблемы синтеза всего многообразия перспективных вариантов электромонтажа ЭМ многоуровневых АСУ, выступает необходимость значительного снижения стоимости (трудоемкости) производства электромонтажа, а существенным из совокупности разнохарактерных и противоречивых требований, предъявляемых к электромонтажу, является реализация высокого уровня миниатюризации и, следовательно, увеличения плотности компоновки АСУ при одновременном обеспечении надежности в условиях внутренних и внешних воздействий.

С учетом исследования состояния и тенденций развития отечественных и зарубежных разработок АСУ различного назначения показано, что главной концепцией синтеза перспективных вариантов электромонтажа является оптимизация его структуры и параметров на всех и, особенно, на ранних этапах создания АСУ. При этом сформулированы определяющие этапы оптимизации вариантов электромонтажа и охарактеризовано их основное содержание.

Благодаря применению системного подхода установлена совокупность практически необходимых требований к перспективному электромонтажу АСУ различного схемотехнического и эксплуатационного назначения, и на этой основе проведена общесистемная классификация качественных показателей (более 50 наименований), отражающих с помощью предложенного метода экспертной оценки уровень практической реализации требований синтеза различных способов (видов, методов) электромонтажа.

На основе системных исследований множества существующих стандартизованных, нормализованных и других применяемых показателей качества электромонтажа для изделий основных радиоэлектронных отраслей промышленности разработана унифицированная система перспективных количественных производственно-экономических показателей качества прогрессивных вариантов (видов, методов, структуры, параметров) электромонтажа ЭМ различного назначения, которая включает в себя показатели стоимости (трудоемкости) и уровня автоматизации производства электромонтажа по разным видам работ; показатели объема, массы, наработки на отказ и перегрева конструкции электромонтажа, и другие.

Сформирована структура производственно-технологических затрат на изготовление различных перспективных вариантов электромонтажа многоуровневых АСУ, учитывающая структурные и геометрические параметры, стоимость материалов и трудоемкость производства конструкций электромонтажа. Основные затраты производства в стоимостном выражении (С³) для широко применяемых видов и методов многоуровневого электромонтажа определяются по следующим формулам:

- электромонтаж накруткой

; (1)

- жгутовой электромонтаж

; (2)

- комбинированный электромонтаж (кроссплаты, соединяемые жгутами)

; (3)

- комбинированный электромонтаж (кроссплаты, соединяемые накруткой)

, (4)

где С обозначает различные стоимости: С_П - изготовления перемычек, С_Н - накрутки перемычек, С_МП - материалов перемычек, С_Ш - изготовления и установки шин питания, С_МШ - материалов шин питания, С_Р - установки соединителей, С_К - изготовления и установки кабелей, С_МК - материалов кабелей (жгутов), С₁ - материалов и выполнения операций для электромонтажа одной цепи, C_М - электромонтажа жгутов, С_МЖ - материалов жгутов и припоя, С_ПЖ - пошива жгутов, С_С - изготовления кроссплат, С_У - сборки и установки кроссплат, С_МС - материалов кроссплат, С₂ - материалов и выполнения операций для электромонтажа одного контакта соединителя; K₁, … , K₃ - коэффициенты, зависящие от числа цепей N; N₁ - количество контактов соединителей.

Системные исследования видов, методов, структуры и параметров электромонтажа, которому присущи все необходимые и достаточные факторы (системопорождающие, системообразующие и системообусловливающие), характеризующие его как системный объект, а также показателей качества электромонтажа с учетом общеизвестных принципов количественной оценки эффективности системных технических средств и перспективных тенденций развития АСУ различного назначения позволили построить единую целевую функцию и сформулировать общую задачу структурного и параметрического синтеза оптимального электромонтажа. При этом обоснована наиболее естественная и практически целесообразная математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза многоуровневого межблочного электромонтажа АСУ, компонуемых в системе БНК (см. рис. 1, табл. и рис. 2).

При следующих заданных ограничениях на множества структур и параметров межблочного электромонтажа, в которые входят:

- множество допустимых к применению типов кабельных изделий, которые могут использоваться для межблочного электромонтажа;

- множество допустимых к применению диаметров кабельных изделий, которые могут использоваться для межблочного электромонтажа;

- множество допустимых к применению типов соединителей, которые могут использоваться для межблочного электромонтажа;

- множество контактов в соединителях, допустимых к применению;

- множество размеров соединителей, допустимых к применению;

- множество геометрических размеров, характеризующих расположение соединителей по высоте и ширине стоечной конструкции, расположение кабельных каналов в БНК АСУ, расположение точек крепления жгутов и кабелей в БНК;

- граф, определяемый таблицей соединений межблочного электромонтажа и задающий связи (множеством ребер L) между контактами соединителей (обозначенными вершинами графа P) и проводом L_i , который реализует указанную связь, требуется найти вектор структурных и геометрических параметров многоуровневого межблочного электромонтажа, где

, (5)

такой, что (6)

при системе оговоренных выше ограничений на структуру, материалы, конструктивные размеры и на обеспечение электрических соединений межблочного электромонтажа согласно таблице соединений. Следует подчеркнуть, что в систему ограничений входит также группа параметров и показателей качества: стоимости (трудоемкости) создания электромонтажа, электромагнитной совместимости, нормального теплового режима, механической прочности и других, которые характеризуют эффективность и надежное функционирование РЭС и создаваемых на их основе АСУ. Особенностью параметров и показателей этой группы является нецелесообразность их отклонения в допустимую сторону от установленных граничных значений, если это приводит к ухудшению величины целевой функции (6).

Приведенные в (5) и (6) обозначения соответствуют: D_i - множество диаметров жгутов (отводов жгутов, кабелей); L_i - множество длин жгутов (отводов жгутов, кабелей), определяемых графом U (P,L) и множеством геометрических размеров точек расположения соединителей межблочного электромонтажа в стоечной БНК РЭС G_i; N_i - множество количеств проводов в жгутах (отводах жгутов, кабелей); - множество типов проводов в жгутах (кабелях); - множество количеств контактов на кроссплатах; - функциональная зависимость стоимости (трудоемкости) выполнения многоуровневого межблочного электромонтажа от его структуры и конструктивных параметров.

Таким образом, в предлагаемой математической постановке задач синтеза оптимальных видов, методов, структуры и параметров электромонтажа комплексно учтены все практически необходимые параметры и показатели качества, отражающие важнейшие требования к многоуровневым и многофункциональным перспективным АСУ, которые обусловлены постоянной необходимостью повышения экономической эффективности изделий новой техники при одновременном обеспечении их конкурентоспособного технического уровня и надежной работы.

Третья глава посвящена математической реализации общесистемной концепции оптимизации перспективных вариантов электромонтажа, каждый из которых является технической системой и в различных сочетаниях вариантов входит в создаваемые АСУ как сложные иерархические системы. В связи с этим разработан комплекс математических моделей для расчета, анализа, оптимизации и прогнозирования стоимостных показателей и конструктивных параметров перспективных вариантов электромонтажа АСУ различного схемотехнического и эксплуатационного назначения.

На основе статистического анализа цифровых ЭМ разработанных АСУ различного назначения, компонуемых в БНК (см. рис. 1 и табл.) получены аналитические зависимости для расчета и анализа трудоемкостей синтеза электромонтажа системы ЭМ разного уровня иерархии АСУ, прогнозируемые значения которых входят в систему ограничений математической постановки задач синтеза электромонтажа (5) и (6).

На основе статистического анализа ЭМ АСУ различного назначения, проведенного с помощью методов наименьших квадратов и факторного планирования эксперимента, получены аналитические выражения для расчета, анализа, оптимизации и прогнозирования трудоемкостей производства коммутационных плат (КП) с широко применяемым печатным электромонтажом в зависимости от числа коммутационных слоев, класса плотности проводящего рисунка и плотности размещения электромонтажных отверстий.

В результате проведенных статистических исследований цифровых ЭМ первого уровня иерархии АСУ получена удобная для практического применения аналитическая зависимость трудоемкости производства внутриблочного электромонтажа от суммарного числа выводов ИЭТ, размещаемых на КП блоков (ячеек) с учетом обеспечения схемотехнических, конструкторских, технологических и эксплуатационных требований, предъявляемых к ЭМ АСУ.

Получены статистические зависимости для расчета, анализа, оптимизации и прогнозирования трудоемкостей производства различных прогрессивных вариантов (видов, методов, структуры, параметров) межблочного электромонтажа многоуровневых АСУ, которые учитывают применение перспективных кабельных изделий, низкочастотных и высокочастотных соединителей, кроссплат и других компонентов электромонтажа, а также непосредственно входят в целевую функцию (6).

Получена совокупность статистических оценок значений множества конструктивных параметров эффективного электромонтажа методом накрутки и перспективных вариантов комбинированного электромонтажа (количества соединителей, количества перемычек в соединительных кабелях, количества шин питания и заземления, количества контактов на кроссплатах и многих других), которые включены в математическую постановку задач синтеза электромонтажа АСУ как сложных систем (5) и (6). Здесь приведены важнейшие статистические зависимости для различных конструктивных параметров наиболее применяемых и эффективных вариантов электромонтажа:

R = [ 2,5 + 0,06 N ] ; D₁ = [ 22,7 + 0,39 N ] ;

K = [ 0,3 + 0,06 N ] ; D₂= [ 15,4 + 0,27 N ] ; (7)

S = [ 1,1 + 0,02 N ] ; T = [ 115 + 1,12 N ] ,

где R - количество соединителей; K - количество перемычек в соединительных кабелях; S - количество шин питания и заземления; D₁ (D₂ ) - количество цепей между кроссплатами одноэтажных (соответственно многоэтажных) кассет и шинами питания и заземления; T - количество контактов на кроссплатах; N - общее количество электрических цепей межблочных соединений; [ ] - обозначает выбор большего целого числа.

Таким образом, на основе проведенных статистических исследований около 3000 цифровых АСУ различного назначения, разработанных ведущими предприятиями, в основном оборонных отраслей промышленности, получены простые аналитические зависимости для расчета, анализа, оптимизации и прогнозирования стоимости (трудоемкости) проектирования, подготовки производства и производства электромонтажа, а также основных структурных и геометрических параметров практически значимых конструктивно-технологических вариантов исполнения электромонтажа, которые включены в математическую постановку задач синтеза (5) и (6). При этом вышеперечисленные зависимости вместе с разработанными и выбранными математическими моделями (механико-прочностными, теплофизическими, электромагнитной совместимости и другими) обеспечили общесистемную взаимосвязь критерия оптимальности, управляемых параметров и ограничений синтеза электромонтажа при построении АСУ.

В четвертой главе разработан комплекс методик и алгоритмов расчета, анализа и синтеза структуры и параметров различных перспективных вариантов электромонтажа АСУ как сложных иерархических систем, пригодных для решения задач оптимального синтеза электромонтажа при построении больших распределенных АСУ. Разработана общая методика для расчета полной стоимости и трудоемкости производства наиболее сложных и перспективных вариантов электромонтажа многоуровневых АСУ. При этом полная стоимость учитывает стоимость конструкционных и технологических материалов всех вариантов конструктивно-технологического исполнения перспективного электромонтажа: объемного (накруткой, жгутами), печатного (кроссплатами) и комбинированного, который включает в себя различные сочетания вариантов объемного и печатного электромонтажа. С учетом использования формул (1) - (4) и (7) основные зависимости для расчета эффективности электромонтажа по критериям стоимости приобретают следующий вид.

Электромонтаж накруткой

Полная стоимость составляет

(8)

где S, R и K - конструктивные параметры электромонтажа накруткой (7).

Стоимость трудозатрат составляет

(9)

Жгутовой электромонтаж

Полная стоимость -

(10)

Стоимость трудозатрат

 (11)

Комбинированный электромонтаж

Кроссплаты, соединяемые накруткой. Полная стоимость электромонтажа и стоимость трудозатрат соответственно составляют

(12)

где D и T - конструктивные параметры, присущие комбинированному электромонтажу (7);

(13)

Кроссплаты, соединяемые жгутами. Полная стоимость электромонтажа и стоимость трудозатрат -

(14)

(15)

При другом конструктивном построении АСУ и других вариантах применяемого электромонтажа формулы (8) - (15) могут быть несколько изменены за счет исключения или введения отдельных составляющих. Однако принцип решения задач синтеза вариантов электромонтажа не изменится. Общая методика устанавливает определяющие зависимости между критерием оптимальности и управляемыми параметрами математической постановки задач структурного и параметрического синтеза электромонтажа (5) и (6).

Разработаны методика и алгоритмы для расчета и оптимизации длин и диаметров жгутов, прокладываемых в кабельных каналах БНК многоуровневых больших распределенных АСУ.

Используя разработанные методику и алгоритмы, можно определять трудоемкости производства вариантов межблочного электромонтажа. Кроме того, предлагаемые методика и алгоритмы с учетом обеспечения требований механической прочности, нормального теплового режима и электромагнитной совместимости позволяют определять номенклатуру и координаты размещения элементов крепления и экранирования многоуровневого межблочного электромонтажа АСУ.

Разработаны общесистемные алгоритмы расчета и анализа показателей качества, характеризующих выполнение требований механической прочности, нормального теплового режима и электромагнитной совместимости при решении экстремальной задачи синтеза структуры и параметров вариантов электромонтажа (5) и (6). Общесистемные алгоритмы используются также для обеспечения соответствующих требований при синтезе внутриблочного, межблочного и внешнего электромонтажа ЭМ всех уровней структурной иерархии РЭС в соответствии с ГОСТ Р 52003-2003 «Уровни разукрупнения радиоэлектронных средств. Термины и определения».

Системная математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза наиболее сложного многоуровневого межблочного электромонтажа по критерию стоимости его создания; разработка и выбор комплекса математических моделей и алгоритмов для расчета, анализа и оптимизации структуры и параметров электромонтажа с учетом обеспечения требований механической прочности, нормального теплового режима, электромагнитной совместимости и других послужили основанием для построения обобщенного алгоритма синтеза электромонтажа.

Главное достоинство разработанного обобщенного алгоритма синтеза заключается в возможности определения множества оптимальных размеров, материалов и геометрических форм перспективных конструктивно-технологических вариантов исполнения электромонтажа, а также способов обеспечения их электромагнитной совместимости, механической прочности и нормального теплового режима. При этом также определяются сопутствующие синтезу аппаратурные параметры ЭМ АСУ (например, оптимальные геометрические размеры и число контактов соединителей заданных типов).

Однако, непосредственное решение сформулированных задач структурного и параметрического синтеза оптимального варианта электромонтажа как системы связно со значительными математическими и вычислительными трудностями из-за большой их размерности, дискретного характера ряда ограничений, сложности и разнохарактерности математических моделей, связывающих показатели и параметры стоимости (трудоемкости), тепловых режимов, механической прочности, электромагнитной совместимости и других (5) и (6). В этих условиях рациональный подход к решению задач базируется на принципе модульной организации структуры обобщенного алгоритма синтеза с применением целого ряда формализованных и эвристических процедур поиска оптимального решения, основанных на внедрении средств вычислительной техники. Обоснованность и перспективность такого подхода при выборе стратегии синтеза сложных вариантов электромонтажа АСУ определяется, в основном, установившимися принципами функционирования, построения и эксплуатации больших распределенных АСУ различного назначения.

Общий принцип действия обобщенного (или можно назвать сквозного для системного объекта) алгоритма структурного и параметрического синтеза электромонтажа заключается в том, что сначала на основании данных о схемотехнической базе, количестве, размещении и составе ЭМ в создаваемых АСУ, сведений об условиях эксплуатации и других исходных данных последовательно задаются возможные варианты электромонтажа с определенной структурой и набором параметров. Затем происходит проверка синтезированной системы электромонтажа, как целого, так и ее составных частей (элементов), на соответствие сделанного выбора экономическим, прочностным, теплофизическим и другим критериям и ограничениям, включенным в формальную постановку задач синтеза. При удовлетворении всему комплексу требований вариант фиксируется как возможный с определенным уровнем целевой функции; в допустимом пределе осуществляется изменение исходных данных (например, типов и размеров кабельных изделий и соединителей) и проверка на соответствие требованиям повторяется. Так происходит до тех пор, пока не будут рассчитаны все варианты структур электромонтажа и сочетаний его параметров. В случае нарушения каких-либо ограничений синтеза происходит отсечение заведомо худшей области параметров и область возможных состояний сужается. В итоге из совокупности найденных приемлемых вариантов выбирается оптимальный, который соответствует минимальному значению целевой функции (6) для исходных данных, установленных техническим заданием.

Следует подчеркнуть, что в зависимости от полноты постановки задач синтеза электромонтажа, в основном, характеризуемой мощностью множеств в ограничениях и числом переменных оптимизации, формирование базиса исходных параметров осуществляется, как правило, в автоинтерактивном режиме и сводится к нахождению рациональной структуры: типов, материалов и геометрических форм элементов электромонтажа, способов теплоотвода и обеспечения механической прочности, а также к однозначно определяемых структурой геометрических размеров.

Синтез параметров, к которым, главным образом, относятся расчетные геометрические размеры элементов электромонтажа, ведется в автоматическом режиме. На основе полученных геометрических размеров и данных о возможных внутренних и внешних дестабилизирующих воздействиях проводятся достаточно сложные процедуры расчета тепловых режимов, механической прочности, электромагнитной совместимости, а также других условий, которые включены в математическую постановку задач синтеза (5) и (6).

Постоянные массивы фиксируемых параметров, характеризующие элементную, конструктивную и технологическую базы (например, типы проводов и соединителей, марки материалов, методы конструирования и производства), а также возможные группы условий эксплуатации, в частности параметры климатических и механических дестабилизирующих воздействий, накапливаются и хранятся в банке данных. Обращение к банку данных может осуществляться как в автоматическом режиме, так и по запросу пользователя в зависимости от условий решения задач структурного и параметрического синтеза электромонтажа. При этом массивы используемых из банка данных параметров определяются составом исходных данных, задаваемых пользователем, и включают информацию, необходимую для конкретных расчетов.

Таким образом, в предлагаемом обобщенном алгоритме предусмотрено два режима работы: пакетный и диалоговый. Структурный синтез предлагается, в основном, осуществлять в автоинтерактивном режиме с использованием банка данных, включающего в себя классифицированные по предметному признаку справочные файлы (параметры соединителей, кабельных изделий, характеристики конструкционных материалов и другие). Процедуры параметрического синтеза преимущественно ориентированы на автоматическое выполнение и основаны на использовании стратегии направленного перебора при решении экстремальной задачи (5) и (6), которая представляет собой типичную задачу дискретного программирования.

На рис. 3 представлены основные блоки головного модуля обобщенного алгоритма синтеза, которые обеспечивают расчет стоимости (трудоемкости) и определяемых в процессе синтеза конструктивных параметров вариантов электромонтажа. К головному модулю с помощью разработанных алгоритмических процедур подключается все множество модулей обобщенного алгоритма, обеспечивающих комплексное решение экстремальной задачи синтеза электромонтажа (5) и (6).

Основными исходными данными для решения задач головного модуля обобщенного алгоритма являются: стоимость материалов, комплектующих изделий и технологических операций каждого из рассматриваемых вариантов электромонтажа. Эти исходные параметры, как правило, вводятся пользователем из базы данных, которая по мере развития техники и технологи должна пополняться и изменяться. В качестве исходных задаются также следующие данные: N₀ - минимальное количество цепей, при котором начинается расчет и построение графиков зависимостей стоимости и трудоемкости электромонтажа; n₀ - дискретность приращения количества цепей; N_max - максимальное количество цепей, при котором заканчивается расчет и построение графиков.

Результаты программно реализованного общесистемного алгоритма синтеза в виде оптимальной структуры и параметров электромонтажа используются в системах автоматизированного синтеза и выпуска конструкторской и технологической документации электромонтажа при создании новых поколений АСУ.

Представленные в этом разделе методики и алгоритмы также позволяют производить сравнительную оценку производственно-экономического уровня разработки электромонтажа созданных АСУ и прогнозировать необходимость внедрения новых вариантов электромонтажа при изменении схемотехнических, конструктивных и технологических условий синтеза перспективных АСУ (например, при создании новых типов соединителей и кабельных изделий, широком внедрении многослойных КП и кроссплат, создании более прочных и технологичных материалов).



Рис. 3. Головной модуль обобщенного алгоритма синтеза вариантов многоуровневого электромонтажа АСУ.

В пятой главе приведены результаты разработки специального программного обеспечения синтеза электромонтажа АСУ и проведенных на его основе экспериментальных исследований вариантов наиболее сложного многоуровневого межблочного электромонтажа.

Одной из важнейших задач структурного и параметрического синтеза электромонтажа как системных объектов является разработка специального программного обеспечения. При этом программное обеспечение синтеза электромонтажа ЭМ всех уровней структурной иерархии АСУ различного назначения базируется на разработке новых и рациональном использовании известных программ, выбор и доработка которых для реализации программной совместимости и функционального единства представляет собой весьма трудоемкую задачу.

В этом разделе приводится перечень основных пакетов программ-компонентов специального программного обеспечения, позволяющего решать комплекс задач синтеза электромонтажа ЭМ при создании больших распределенных АСУ с учетом реализации множества практически необходимых требований, предъявляемых к этому особому классу АСУ. К числу основных разработанных комплексных программ относятся следующие.

...