Исследование и разработка системы формирования и реконфигурации архитектуры конструкторских САПР радиоэлектронной аппаратуры

в работах по НИР по теме «Теоретические основы и методы проектирования программно-аппаратных комплексов испытаний технических объектов», выполняемой в рамках программы фундаментальных научных исследований ОНИТ РАН «Фундаментальные проблемы разработки новых структурных решений и элементной базы в телекоммуникационных системах»;

по хоздоговору «Разработка цифровой системы измерений и управления испытательным оборудованием при проведении механических и климатических испытаний» (договор № 6814/САПР-72», 2009 г.).

Основные результаты работы используются при подготовке инженеров по специальностям 230104 «Системы автоматизации проектирования» и магистров по направлению «Информатика и вычислительная техника» (специализация 230100.68-16 «Информационное и программное обеспечения САПР»). Применение разработанной системы в учебном процессе обеспечивает поддержку дисциплин «Оптимальное проектирование» и «Информационные технологии в проектировании и производстве» учебного плана подготовки магистров по направлению «Информатика и вычислительная техника» дисциплин «Системная организация САПР» и «Теория принятия решений» учебного плана подготовки инженеров по специальности 230104 «Системы автоматизации проектирования».

Результаты диссертационной работы используются в учебной практике Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) на кафедре «Системы автоматизированного проектирования» для подготовки магистров и бакалавров по направлению «Информатика и вычислительная техника».

Апробация результатов исследования

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Международная научно-техническая конференция по мягким вычислениям и измерениям SCM-2006, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (г. Санкт-Петербург, 27-29 июня 2006 г.).

Международная научно-техническая конференция «Современные технологии обучения 2006», Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (г. Санкт-Петербург, 20 апреля 2006 г.).

Международная научно-техническая конференция «Приборостроение в экологии и безопасности человека», Санкт-Петербург ГУАП (г. Санкт-Петербургский, 31 января-2 февраля 2007 г.).

59-я и 60-я научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина).

Публикации

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 7 статьях и докладах, из них по теме диссертации 7., среди которых 2 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 2 статьи в других журналах. Доклады доложены и получили одобрение на 3 международных, всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях перечисленных в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, 12 таблиц, 51 рисунка списка литературы, включающего 135 наименований. Основная часть работы изложена на 147 страницах машинописного текста.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, приводятся основные научные и практические результаты работы. Кратко описано содержание глав диссертации.

В первой главе диссертационной работы рассматриваются вопросы, посвященные особенностям развития современных конструкторских САПР РЭА. Показана актуальность организационных аспектов разработки, внедрения, эксплуатации и модификации САПР. Проанализированы различные элементы адаптации компонентов конструкторских САПР РЭА к изменениям проектной среды, особенностям проектируемого объекта, квалификации пользователей.

Показано, что в целях повышения качества проектно-конструкторских работ и сокращения времени их проведения необходимо использование проблемно-ориенитированного подхода к построению конструкторских САПР и разработке специализированных инструментальных средств, обеспечивающих возможность оперативной реконфигурации САПР. В целях разработки архитектуры системы выделены базовые функции системы этого класса и проведен их анализ, на основе результатов которого сделан вывод о том, что система формирования и реконфигурации архитектуры САПР является средством накопления, практического использования, исследования и тиражирования инженерных знаний о процессе автоматизированного конструкторского проектирования изделий РЭА.

Показано, что в целях повышения способности адаптации средств автоинтерактивного конструирования РЭА к проектным задачам и пользователю необходимо использовать проблемно-ориентированный подход к построению САПР на базе методов инженерии знаний, зарекомендовавшей себя в различных областях человеческой деятельности, что позволит создавать на основе этого подхода новых, нетрадиционных средств конструкторского проектирования РЭА. Инженерные знания являются смысловой основой создания средств моделирования процессов автоматизированного проектирования. Они представляют собой систему фактов, зависимостей и способов действий, справедливых в области разработки САПР. Знания представляются текстовыми описаниями на естественном языке и соответствующими этим описаниям формальным моделям хранения и обработки информации.

Дана трактовка архитектуры как общей логической организации САПР, определяющей процесс обработки информации в конкретной системе, состоящей из типовых, унифицированных, общих для данного класса САПР компонентов программного, информационного и технического видов обеспечений, взаимодействующих на основе стандартных интерфейсов и предназначенная для проектирования определенного класса объектов.

Рассмотрена проблема реконфигурирования САПР в конкретных условиях эксплуатации как задача оптимального выбора, организации и распределения ресурсов между проектами в целях минимизации времени и стоимости проектируемых объектов. Исследованы различные уровни глубины реконфигурирования САПР, соответствующие параметрическим и структурным изменениям архитектуры.

Задача формирования, модификации и реконфигурации САПР сформулирована следующим образом. Система S обладает конечным множеством системных свойств , имеющих для общности числовую меру. Пусть возможно m способов декомпозиции системы S. При k-м () способе декомпозиции , где - число подсистем в S k-го способа декомпозиции, каждый ресурс САПР характеризуется конечным множеством свойств , каждое из которых имеет индивидуальную числовую меру. Множество свойств всех ресурсов R при k-й декомпозиции . Взаимодействуя между собой, ресурсы порождают множество системных процессов , . Тогда каждое системное свойство есть некоторый функционал от протекающих в системе процессов .

Задача оптимальной организации САПР заключается в выборе, организации и распределении ресурсов между проектными задачами согласно заданной декомпозиционной схеме k таким образом, чтобы обеспечить экстремальные значения системных свойств . Требуется найти такие операционные характеристики загрузки компонентов САПР , которые минимизируют время и стоимость проектирования, обеспечивая требуемые качественные характеристики проектируемых объектов. Компоненты (ресурсы) САПР и их функциональные характеристики и свойства, а также отношения между ними являются управляемыми варьируемыми параметрами данной оптимизационной задачи. Производственные программы проектных организаций и их подразделений, характеристики проектируемых с помощью САПР изделий (главным образом их сложность) и технологические требования производства являются ограничениями задачи оптимизации.

Показано, что для решения задач проектирования, внедрения и модернизации комплекса средств автоматизации проектирования необходимы инструментальные средства моделирования процесса проектирования и исследования архитектуры САПР. Для создания системы формирования и реконфигурации архитектуры САПР, которая может быть полезна разработчикам САПР на всех этапах жизненного цикла системы, рассмотрены различные подходы к моделированию процесса проектирования и выявим основные функции системы моделирования процесса автоматизированного проектирования.

Сформулированы основные концепции формирования перестраиваемых архитектур САПР и направления параметрической и структурной адаптации, а также принцип реконфигурации и разработки САПР с гибкой технологией проектирования и адаптацией к динамическим условиям изменения функционирования САПР.

Проанализирован процесс поддержки принятия проектных решений структурного и параметрического синтеза и выбраны основные методы и модели для реализации системы: метод экспертных оценок, имитационное моделирование, методы многокритериальной оптимизации. В результате проведенного анализа разработана архитектура системы CAD-Architecture, состоящая из базы данных моделей компонентов, библиотек моделей типовых проектных процедур, подсистемы имитационного моделирования, подсистемы обработки экспертных оценок, подсистемы оптимизации конфигурации САПР РЭА. Разработанная система отличается от известных наличием нескольких подсистем моделирования, обеспечивающих реализацию различных подходов к принятию проектных решений, связанных с выбором компонентов и структур САПР.

Во второй главе на основе анализа предметной среды и операционных компонентов конструкторского проектирования РЭА разработан формальный понятийный аппарат описания данной предметной области, позволяющий сформулировать рабочие модели инженерных знаний, отражающих наиболее существенные аспекты автоматизированного конструирования. Систематизированы базовые семантические отношения, используемые для построения обобщенной и конструктивной моделей архитектуры и компонентов САПР. Проведен анализ различных способов представления знаний и на основе его результатов предложена организация смысловой модели предметной области конструкторского проектирования РЭА в виде системных рабочих моделей, организованных на основе определенных семантических отношений и описывающих отдельные аспекты конструирования и взаимосвязи между ними.

Выполнена структурно-функциональная декомпозиция типовых операционных компонентов и типовых описаний объекта проектирования, проведен анализ типовых проектных процедур. Предложено использовать модифицированную систему логических правил преобразований типовых проектных описаний в виде базовых операционных компонентов процесса. Система логических правил основана на структурно-функциональной декомпозиции типовых операционных компонентов процесса автоматизированного проектирования и типовых описаний объекта проектирования.

В отличие от известных подходов к построению архитектур САПР, предлагаемый метод основывается на унифицированной процедурной системе операционных компонентов, которые отражают специфику конкретных применений САПР и позволяют повысить достоверность и обоснованность выбора архитектуры системы. Системные модели процесса составляют структурную основу начального описания объекта проектирования до тех пор, пока не исследованы многие функционально-технические характеристики САПР, следовательно, это позволяет создавать на ее основе конструктивные модели компонентов САПР. Таким образом, процесс получения рабочих имитационных моделей сводится к конкретизации операторов системной модели. Это существенно облегчает задачу конкретного формулирования оптимизационной задачи и сокращает пространство поиска решений и соответствующих реализаций.

В целях повышения адаптационных возможностей САПР к конструктивно-технологическим изменениям проектируемых изделий предложен и разработан способ структурной адаптации программного обеспечения к объекту проектирования с учетом качественных и временных характеристик операционных компонентов, базирующихся на использовании информации, содержащейся в рабочих моделях инженерных знаний, представленных в базе знаний. Предложенный способ позволяет осуществлять гибкую смену технологического маршрута проектирования с учетом особенностей каждого конкретного объекта.

В третьей главе рассмотрены основные направления реализации инструментальных средств моделирования и оценки конфигурации САПР в системе формирования архитектуры САПР: обработка экспертных оценок, имитационное моделирование, методы оптимизации.

Проанализированы различные подходы к проведению экспертизы технических систем. Рассмотрены такие методы экспертных оценок, как ранжирование, парные сравнения и непосредственное оценивание. Определены способы отображения оценок на различные типы шкал измерений. Рассмотрены различные способы обработки экспертных оценок: определение обобщенных ранжировок, обработка парных сравнений, групповая экспертная оценка при непосредственном оценивании. На основе выполненного анализа методов экспертных оценок и способов их обработки предложена методика обработки экспертных оценок, основанная на технологии групповой экспертной оценки конфигурации САПР при непосредственном оценивании. Были проанализированы подходы к проведению опросов экспертов. На основе выполненного автором анализа было выбран метод Дельфи.

Разработана ресурсно-процедурная модель процесса автоматизированного конструирования САПР РЭА. Эта модель отличается от известных представлением базового операционного элемента процесса как отображения логической комбинации предшествующих состояний ресурсных и процедурных компонентов САПР и описания объекта автоматизированного проектирования.

Рассмотрены основные принципы создания систем моделирования как инструментария специалиста-системотехника. Обосновано применение имитационного моделирования в качестве основного метода моделирования процесса автоматизированного проектирования. Проанализированы основные достоинства и недостатки имитационного моделирования как одного их подходов к проведению машинных экспериментов для исследования поведения сложных систем. Приведено подробное описание процесса имитационного моделирования процесса автоматизированного конструирования изделий РЭА. В диссертации сделан обоснованный выбор механизма задания времени для синхронизации действий компонентов на заданном временном интервале. Показано, что для данной предметной области для большинства задач в наибольшей степени подходит метод «фиксированного шага». Однако для предания системе моделирования большей гибкости и возможности проведения с ее помощью имитационных экспериментов для нестандартных ситуаций в системе предусмотрена возможность использования метода «переменного шага».

Приведено подробное описание состава системы: подсистемы диалогового взаимодействия пользователя, базы данных моделей компонентов, библиотеки моделей типовых проектных процедур конструкторского проектирования РЭА, планировщика имитационного эксперимента, подсистем представления оценок качества процесса проектирования и архитектуры САПР. Информационную поддержку процессу имитационного моделирования обеспечивает база данных моделей компонентов САПР, содержащая характеристики технического оборудования САПР, квалификационные характеристики пользователей, диапазоны варьирования параметров объекта проектирования, определяющие размерность проектной задачи. Информационная база системы моделирования состоит из БД сеанса моделирования, базы данных моделей компонентов САПР, архива моделей, а также базы знаний, в основу которой положены инженерные знания об автоматизированном конструировании изделий РЭА.

Подсистема имитации осуществляет моделирование процесса проектирования в соответствии с описанием, оттранслированным и хранящемся в БД сеанса моделирования. В общем случае время выполнения процедуры определяется средним значением времени выполнения одной вычислительной операции на заданном наборе ресурсов и количеством операций, зависящем от размерности проектной задачи, особенностей алгоритма процедурной обработки данных об объекте проектирования, а также от критериев оценки качества частного проектного решения, которое учитывается при выполнении моделируемой проектной процедуры.

Для оптимизации конфигурации конструкторской САПР РЭА выбраны адаптивные методы поиска. Предложена и реализована оригинальная стратегия поиска оптимальных архитектур конструкторских САПР РЭА, основанная на многошаговой схеме и использующая особенности модификации генетических алгоритмов.

Подсистема моделирования, используемая для выбора оптимальной конфигурации конструкторской САПР РЭА, базируется на взаимодействии двух моделей: модуль оптимизации и модуль имитационного моделирования. Оптимизация на основе имитационного моделирования заключается в совместном использовании имитационной модели сложной системы и алгоритма оптимизации. С помощью имитационной модели рассчитываются значения отклика для различных комбинаций значений факторов, которые предлагает алгоритм оптимизации. Поисковый алгоритм оптимизации, в свою очередь, используя значения отклика, пытается улучшить решение.

Работа подсистемы моделирования представляет собой цикл, состоящий из набора последовательных операций. Ключевыми элементами данной схемы являются модули оптимизации и имитационного моделирования. Для организации процесса взаимодействия между ними используется БД сеанса моделирования, включающая специальные блоки «Входные данные» и «Выходные данные». Их основная задача - организовать обмен данными между двумя модулями системы.

На начальном этапе данные поступают на вход модуля оптимизации, который заносит их в таблицы блока «Входные данные». Затем модуль имитационного моделирования обращается к этому блоку и считывает данные, которые используются для реализации моделирования процесса проектирования печатных плат. По завершении всех вычислений модуль имитационного моделирования записывает полученные значения в блок «Выходные данные». Следующим действием является обращение модуля оптимизации к данным и чтение их из блока. Полученные данные анализируются внутри блока оптимизации с помощью генетического алгоритма и, в зависимости от результата, принимается решение об остановке процесса или его продолжении. Если полученный результат не является оптимальным, то процесс запускается сначала, но в таблицы блока «Входные данные» записываются уже преобразованные генетическим алгоритмом значения. Если же сработает критерий остановки, то процесс прекращается, а полученный оптимальный результат выводится на экран.

В четвертой главе представлены конструктивные модели процесса проектирования и приведены результаты экспериментальных исследований архитектур САПР на основе системы моделирования.

В соответствии с системным подходом в реферируемой главе произведена декомпозиция процесса конструкторского проектирования РЭА на отдельные проектные процедуры, выявлены взаимосвязи проектных процедур и определены основные маршруты проектирования. Представленный анализ и современные требования к процессу разработки программного обеспечения определяет выбор из различных вариантов архитектур в пользу представленного в диссертации архитектурного решения.

В диссертационной работе были систематизированы типовые проектные процедуры конструирования САПР РЭА: «Ввод описания объекта проектирования», «Размещение элементов», «Трассировка», «Выпуск конструкторско-технологической документации». На основе проведенной систематизации были построены конструктивные модели процесса проектирования. Для их формализованного представления были использованы диаграммы унифицированного языка моделирования UML (Unified Modeling Language), применяемого как графический язык для определения, представления, проектирования и документирования программных систем, организационно-экономических систем, технических систем и других систем различной природы. Применение данного подхода обосновано тем, что UML содержит стандартный набор диаграмм и нотаций самых разнообразных видов: диаграммы вариантов использования, диаграммы поведения системы, диаграммы состояний, диаграммы классов, диаграммы реализации и др. Применение диаграмм UML позволяет отразить в модели такие свойства процесса проектирования как иерархичность, итерационность, целенаправленность, стохастичность, длительность.

Выбор диаграмм деятельности для построения ресурсно-процедурной модели САПР обусловлен такими их достоинствами как выразительность изобразительных средств для описания разнородных процессов и систем, возможность формального перехода от системной модели к конструктивной, наличие развитых программных и инструментальных средств для разработки компьютерных программ имитации, возможность построения модели на требуемом уровне детализации. В работе приведены описания моделей для таких типовых проектных процедур как «Ввод описания объекта проектирования», «Размещение элементов», «Трассировка». Показан способ перехода от системной модели к типовым проектным процедурам, представленным в виде графа, к рабочей модели в виде диаграммы деятельности.

Для обеспечения информационной поддержки системы реконфигурации САПР были разработаны структуры данных для представления информации об объектах проектирования, процедурных компонентах и ресурсах САПР. Исходя из высокого уровня сложности и разнообразия данных, необходимых для обеспечения процесса поддержки принятия решения и моделирования процесса проектирования, было предложено использовать реляционную модель. Для разработки базы данных ее семантическая модель приведена к третьей нормальной форме. В работе представлены структурные схемы БД моделей компонентов, справочников и БД сеанса моделирования. В качестве СУБД выбран Microsoft SQL Server 2005.

Помимо подсистемы имитационного моделирования в работе представлены подсистема обработки экспертных оценок и подсистема оптимизации. Для формального представления их компонентов приведены диаграммы классов. Представлена процедура принятия решений по выбору основных видов обеспечений САПР: технического, программного, информационного. В работе представлены результаты работы подсистемы моделирования с применением как метода экспертных оценок, так и имитационного моделирования. Представлено описание подсистемы оптимизации с использованием генетического алгоритма. Реализация программных модулей выполнена на языке C# в среде Microsoft Visual Studio 2005.

В работе показано, что применение специализированных инструментальных средств моделирования в качестве учебно-исследовательской системы позволяет добиться у обучаемых глубоко понимания взаимного влияния компонентов САПР в процессе проектирования, дает возможность в течение небольшого интервала времени проанализировать технико-экономические параметры множества вариантов архитектур САПР, позволяет обоснованно принимать решения по выбору компонентов САПР и стратегии проектирования для разработки изделий определенного класса и определенной степени сложности. Возможность получения в короткий срок значительного количества системотехнических решений, сохраняющих высокую вариабельную способность и высокую наглядность, позволяет интенсифицировать учебный процесс за счет перенесения акцента на смысловые аспекты проектирования САПР.

Основные результаты

Разработана архитектура системы CAD-Architecture, отличающаяся от известных наличием нескольких подсистем, обеспечивающих реализацию различных методов и технологий для выбора компонентов и структур САПР.

Впервые разработана ресурсно-процедурная модель процесса проектирования в виде UML-диаграмм, характеризующаяся представлением базового операционного элемента процесса как отображения логической комбинации предшествующих состояний ресурсных и процедурных компонентов САПР и описания объекта автоматизированного проектирования.

Предложены и реализованы способы формирования и реконфигурации архитектур САПР, отличающиеся от известных наличием средств имитационного моделирования процесса автоматизированного проектирования и средств сбора, накопления и обработки полученной информации о результатах моделирования.

На основе разработанных ресурсно-процедурных моделей в системе CAD-Architecture реализованы имитационные модели, представленные в виде библиотеки моделей типовых проектных процедур. Использование библиотеки упрощает процесс моделирования и сокращает усилия, затрачиваемые на разработку новых моделей.

Разработана и реализована база данных системы CAD-Architecture. База данных обеспечивает информационную поддержку процессу имитационного моделирования и обработки экспертных оценок. Применение реляционной модели хранения данных и использование развитых средств управления данными промышленной СУБД обеспечивает унифицированные процедуры обслуживания базы данных, упрощает процедуру ее расширения и модификации.

Предложена и внедрена в учебный процесс методика обучения разработчиков САПР. Предложенная методика позволяет выработать у обучаемых профессиональные навыки быстрой и обоснованной оценки ситуации и принятия проектных решений по формированию и реконфигурации архитектуры САПР.

На основе разработанной архитектуры реализована система формирования и реконфигурации САПР CAD-Architecture. Система позволяет проводить имитационное моделирование процессов проектирования, собирать данные о результатах моделирования, обрабатывать экспертные оценки. Полученные результаты моделирования могут быть использованы для оценки качества архитектуры конструкторских САПР РЭА на стадиях формирования и реконфигурации САПР.

Список опубликованных работ по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

Абу Давас, М. Модели представления данных в системе поддержки проектных решений [Текст] / М. Абу Давас // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия Санкт-Петербургского электротехнического университета), Сер. «Информатика, управление и компьютерные технологии».- 2006.- № 3.- C. 85-88.

Абу Давас, М. Интеллектуальная поддержка проектных решений с использованием технологий хранилищ данных и Data Mining [Текст] / Абу Давас М., Новакова Н.Е. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия Санкт-Петербургского электротехнического университета), Сер. «Информатика, управление и компьютерные технологии».- 2006.- № 1 - C. 52-61.

Другие статьи и материалы конференций:

Абу Давас, М. Математическое и информационное обеспечение системы моделирования процессов автоматизированного проектирования в экологическом приборостроении [Текст] / Абу Давас М. // Материалы междунар. конф. Приборостроение в экологии и безопасности человека, 31 января - 02 февраля 2007, ГУАП, 2007, с. 152-154.

Абу Давас, М. Интеллектуальная обработка данных в системе поддержки проектных решений [Текст] / Абу Давас М., Новакова Н.Е. // Материалы междунар. конф. современных технологий обучения 2006: Сб. докл. конф.: г. С-Петерб., апр. 2006 г.- Том 1.-СПб.: Изд-во СПбГЭТУ.-2006. - С.74-76.

Абу Давас, М. Информационное обеспечение системы поддержки проектных решений. СПб. [Текст]: Сборник докладов международная конференция по мягким вычислениям и измерениям, 27-29 июня 2006, СПб. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006, т.2, с. 95-98.

Абу Давас, М. Подсистема поддержки принятия решений для выбора оптимальной конфигурации САПР [Текст] / Абу Давас М., Новакова Н.Е. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,- 2008.- №. 6 2008 с.29-33.

Абу Давас, М. Особенности формирования архитектуры САПР на основе моделирования типовых компонентов [Текст] / Абу Давас М., Дмитревич Г.Д., Новакова Н.Е. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,- 2009.- №. 3 2009 с.29-33.

Размещено на Allbest.ru