Методы и алгоритмы автоматизации принятия решений на этапе конструкторского проектирования бортовой космической радионавигационной аппаратуры с учётом тепловых и механических нагрузок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Боголюбов, Данила Александрович

• Боголюбов, Данила Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Боголюбов, Данила Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.

1.1 Основные положения теории упругости, необходимые для построения различных моделей механики твердых тел.

1.1.1 Условные обозначения.

1.2 Основные положения теплофизики, необходимые для решения задачи расчета тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры.

1.2.1 Теплофизические основы.

1.2.2 Сеточные методы решения краевых задач.

1.2.3. Специфика конструирования бортовой космической радиоэлектронной аппаратуры.

1.3. Методы дискретизации.

1А Метод конечных разностей.

1.5. Структурные элементы и макроэлементы.

1.6 Выводы.

ГЛАВА 2.

2.1 Экспертная деятельность в системах автоматизированного проектирования.

2.2 Экспертная система принятия решений в САПР радионавигационных средств.

Этап 1. Идентификация проблемной области.

Этап 2. Концептуализация проблемной области.

Этап 3. Формализация базы знаний.

Этап 4. Реализация и тестирование базы знаний.

2.3 Структура экспертной системы.

2.4 Система поддержки принятия решений.

2.5. Критерии оптимальности проектного решения.

2.6. Пример решения задачи дискретизации.

2.7. СППР на базе разработанного программного обеспечения.

2.8. Выводы.

ГЛАВА 3.

3.1 Реализация системы принятия проектных решений.

3.2 Программная реализация алгоритма конечно-разностной дискретизации

3.2.1. Актуальность разработки. Общие положения.

3.2.2. Теплофизическая модель.

3.2.3. Конечно-разностная модель.

3.2.4. Программная реализация.

3.2.5. Примеры расчета.

3.2.6. Перспективы разрабатываемого программного обеспечения.

3.3. Проблемы решения системы линейных алгебраических уравнений больших размеров.

3.3.1. Параллельные вычислительные системы.

3.3.2. Алгоритм решения линейно-алгебраических систем больших размеров на кластерах.

3.4 Алгоритм реализации экспертной системы.

3.5 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и алгоритмы автоматизации принятия решений на этапе конструкторского проектирования бортовой космической радионавигационной аппаратуры с учётом тепловых и механических нагрузок»

При создании любого высокотехнологичного устройства, в том числе составной части радиоэлектронной (радионавигационной) аппаратуры, необходимо изучить современное состояние отрасли, выявить аналогии и тенденции развития, а затем выбрать направление, характеризующее данное устройство [1].

В настоящее время рынок радионавигационной аппаратуры является одним из наиболее динамично развивающихся в сегменте высоких технологий. Разработка не только глобальных систем, таких как ГЛОНАСС (РФ), GPS (США), GALILEO (Европейский союз), но и небольших узкофункциональных радионавигационных приборов, регулярное расширение их номенклатуры требует постоянного повышения качества технологических процессов и проектных решений. Дальнейшее развитие этой области человеческой деятельности возможно только с применением последних достижений в сфере вычислительной техники, математического обеспечения и I информационных технологий.

В связи с постоянно высоким темпом развития рынка возрастают требования к технологиям конструирования и производства. Возникает потребность в регулярном внедрении инновационных технологий, тесно связанных с использованием современной вычислительной техники и методов математического моделирования. Появляется необходимость комплексной автоматизации на всех этапах проектирования аппаратуры и, соответственно, потребность в системах, возможно более полно реализующих такую автоматизацию.

При совершенствовании процесса проектирования требуется решать такую важную задачу, как возможно более широкое внедрение автоматизированных систем управления, которое может осуществляться двумя путями: [2].

1. Попытка постепенного внедрения систем автоматизации лишь на отдельных участках сферы деятельности предприятия (отделения), а затем: в будущем, построение* на их основе, единой системы управления. Также возможно ограничить внедрение системы автоматизации' только конкретнымигпроизводственными процессами, не затрагивая деятельность хозяйственного объекта в. целом: ,

2. Комплексное внедрение многофункциональных систем автоматизации, позволяющее охватить все звенья системы; менеджмента от производствам до верхнего управленческого уровня.

Очевидно, что несмотря на более значительные капиталовложения; второй путь намного выгоднее первого вследствие большей эффективности.

Проектирование какого-либо технического объекта представляет собой проблему, обратную традиционной расчетной задаче. Целью проектирования является создание технического объекта, обладающего определенным набором свойств, что в системном анализе получила название «задачи синтеза»[1]. Из общей методологии задач синтеза известно, что их решение достигается путем производства большого количества расчетов. При осуществлении выбора дальнейшего направления решения на каждом шаге итерации возникает т.н. задача направленного синтеза [3]. В таком виде процесс проектирования представляет собой частный случай проблемы оптимизации характеристик. С другой стороны, процесс проектирования является, в сущности, прогнозом определенных характеристик будущего объекта, за счет чего он обладает известной степенью неопределенности и технического риска. Снижение этого риска осуществляется за; счет разбиения; процесса проектирования на ряд этапов, на каждом;из?которых принимаются те или иные проектные решения [1].

Соответственно, при комплексном внедрении систем автоматизации необходимо четкое структурирование процесса проектирования.

Данная работа посвящена оптимизации проектных решений в сфере систем автоматизированного проектирования радионавигационной. аппаратуры.

Разработка соответствующих САПР для различных сфер деятельности является одной из наиболее востребованных специальностей в области конструкторского проектирования технических объектов [1], однако в ходе освоения разнообразных специализированных источников информации, в том числе и опубликованных в периодических профильных изданиях, было установлено, что в настоящее время в Российской Федерации не описано и не внедрено ни одной системы принятия проектных решений (СППР) для цикла проектирования радиоэлектронной аппаратуры. Соответственно, тема настоящей работы является актуальной.

Цель работы: разработать методы решения задач автоматизированного проектирования радионавигационной аппаратуры; на основе выработанных критериев оптимизации создать модель автоматизированной проверки проектных решений. В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

- изучить и обобщить опыт автоматизированного проектирования и инженерного расчета навигационной аппаратуры;

- разработать метод вынесения проектного решения в области соответствующих систем автоматизированного проектирования;

- создать метод автоматизации проектных решений в данной области;

- разработать и внедрить методы конечно-разностной дискретизации и алгоритмы ее визуализации для обеспечения возможности контроля за ходом процесса проектирования в режиме реального времени;

- разработать критерии оптимизации проектных решений в области САПР радионавигационной аппаратуры.

Предметом исследования данной работы являются алгоритмы автоматизированной системы принятия решений в сфере оптимизации проектных решений конструирования радиоэлектронных средств. Методы исследования

Для решения поставленных задач использованы: аналитическая теория теплопроводности, теория, методы и алгоритмы автоматизированного проектирования и конечно-разностного анализа, методы объектно-ориентированного программирования.

Положения, выносимые на защиту

1. Метод принятия проектных решений в сфере разработки приемо-измерительной бортовой радионавигационной аппаратуры, состоящий в применении визуализации моделирования с использованием общих окон с равными правами доступа как источника исходных данных для принятия решений с помощью критерия ожидаемого значения;

2. Алгоритм системы принятия проектных решений на основе разработанного метода.

3. Алгоритм автоматического построения конечно-разностных сеток на конструкциях сложной формы путем объединения, вычитания и/или пересечения геометрических объектов, поверхность которых аппроксимирована ансамблем структурных элементов.

Научная новизна Научная новизна диссертационной работы заключается в разработанном методе принятия решений для СППР на этапе конструкторского проектирования заявленного класса аппаратуры. Отличительной особенностью данного метода является внедрение процесса автоматизированных расчетов, моделирования и испытаний в единый цикл принятия и корректировки проектного решения с возможностью минимизации вмешательства пользователя.

Практическая ценность

Разработано программное обеспечение для построения пространственной конечно-разностной сетки и решения контактных задач на основе компонентно-объектной модели. Предложенный алгоритм дискретизации может быть применен при всех видах инженерных расчетов радиоэлектронных конструктивов.

Область применения результатов

• Автоматизированные климатические и механические инженерные расчеты радионавигационных систем и средств;

• Конструкторское проектирование бортовой космической радионавигационной аппаратуры.

Апробация результатов

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях:

• XXXVI научная конференция СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 30 января-2 февраля 2007.

• Научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО: 2008, 2009, 2010 г.

• Межвузовская конференция молодых ученых СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 10-13 апреля 2007 г.

• Всероссийские межвузовские конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО: 2008, 2009 гг.

Апробация результатов представляемой работы была произведена в ОАО «РИРВ» (Российский институт радионавигации и времени). Разработанная СППР была внедрена на производстве в секторе обеспечения надежности и технологического обеспечения разработок. В частности, система использовалась при производстве автоматизированных расчетов тепловых режимов. Результаты работы были использованы при выполнении НИ-ОКР по темам:

• Малогабаритный рубидиевый стандарт частоты на газовой ячейке RFS-514;

• Модуль приемо-измерительный КНС ГЛОНАСС / GPS «К-161». Представляемая работа выполнена при поддержке Правительства

Санкт-Петербурга (гранты Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов серия ПСП № 070305 (2007 г.) и серия ПСП № 090052 (2009 г)). Опубликовано пять статей, из них две - в рецензируемых журналах.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Боголюбов, Данила Александрович

3.5 Выводы В третьей главе получены следующие результаты:

- Разработано и реализовано программное обеспечение, предназначенное для автоматической подготовки данных к проведению вычислительного эксперимента (конечно-разностная дискретизация).

- Реализация представляемого программного средства основывалась на технологии СОМ, что предоставляет возможность расширения и модификации программного продукта путем разработки и реализации

91 новых методов дискретизации трехмерных моделей без перекомпиляции и изменений всей программы, что отсутствует в большинстве аналогичных программных продуктов.

Реализованы методы и алгоритмы пространственной конечно-разностной дискретизации, рассмотренные во второй главе. Для апробации полученных результатов реализованы численные методы решения пространственной контактной задачи для разработки модели тепловых режимов приемо-измерительного модуля системы ГЛОНАСС.

Разработаны методы графической визуализации рассчитываемой поверхности в соответствии с полученными контактными напряжениями.

Исследованы методы решения системы линейных уравнений больших размеров.

На базе метода Гаусса разработан соответствующий алгоритм для многопроцессорных персональных компьютеров.

Проведены исследования алгоритмов реализации экспертной системы на время решения задачи и вероятность возникновения ошибки либо отклонения от заданных параметров.

Установлено преимущество ЫЕТЕ-алгоритма как системообразующего алгоритма разрабатываемой экспертной системы.

Заключение

В ходе работы были получены следующие основные результаты:

- Разработан метод построения поверхностей, состоящих из набора плоских многоугольников путем добавления, удаления или пространственного перемещения вершин и дискретизации полученной поверхности на структурные элементы.

- Разработан алгоритм автоматического построения конечно-разностных сеток на конструкциях сложной формы путем объединения, вычитания и/или пересечения геометрических объектов, поверхность которых аппроксимирована ансамблем структурных элементов.

- Разработаны алгоритмы макроэлементной дискретизации трехмерных моделей.

- Разработано программное обеспечение для построения пространственной конечно-разностной сетки и решения контактных задач на основе компонентно-объектной модели, что предоставляет возможность расширения программного средства при расширении диапазона решаемых задач путем реализации и подключения новых утилит без перекомпиляции и изменений всей программы.

- Разработан алгоритм, направленный на уменьшение затрат аппаратных ресурсов используемого компьютера и позволяющий осуществлять контроль за ходом конструкторского проектирования в режиме реального времени.

- Проведена апробация полученных результатов на примере решения контактной задачи для разработки модели приемо-измерительного модуля системы ГЛОНАСС.

- Предложено аппаратное решение проблемы нехватки вычислительных мощностей с помощью реализации разработанного алгоритма параллельных вычислений на базе кластерных систем.

Разработан план реализации системы поддержки принятия проектных решений на основе предложенных алгоритмов.

Разработаны функциональные модели теплового расчета и механических напряжений на основе ранее известных методик. Модели адаптированы для создаваемой системы принятия решений. Внедрена система принятия проектных решений на предприятии Произведено внедрение разработанного программного обеспечения в Российском институте радионавигации и времени. Разработанные метод и алгоритмы внедрены в учебно-методический комплекс кафедры ПКС СПбГУ ИТМО.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Боголюбов, Данила Александрович, 2010 год

1. Захаров И.Г. Обоснование выбора. Теория практики. - СПб.-: Судостроение, 2006;

2. Тищенко Н.М. Введение в проектирование систем управления. М.: Энергоатомиздат, 1986.

3. Заде J1.A. Основы нового подхода к анализу сложных систем, и процессов принятия решений.- М. : Знание, 1974.

4. Баранов Л. Б. Актуальные вопросы технологии современных САПР; // Труды Всероссийской* конференции «Прикладная геометрия, построение расчетных сеток и-высокопроизводительные вычисления». М.: ВЦ РАН, 2004. Т. 2 С. 131-142.

5. Боголюбов Д.А. Применение элементов теории графов в конечно-элементном анализе. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 51. Научные школы в СПбГУ ИТМО / Главный редактор д.т.н., проф. В.Н. Васильев. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - 408 с.

6. Боголюбов Д.А., Кармановский Н.С. Интерпретация, результатов расчетов тепловых режимов ЭВС в приложении COSMOSWorks. // Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО. Выпуск 32. СПб: 2006.

7. Алямовский A.A. SolidWorks/COSMOSWorks 2006-2007. Инженерный анализ методом конечных элементов. М.: ДМК, 2007. - 784 е., илл.

8. Лыков А! В. Теория теплопроводности. М., 1967.10; Боголюбов Д.А., Кармановский: Н.С. Исследование тепловых режимов различных радиоэлектронных конструктивов с помощью системы

9. СОЗМОБ^огкз. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО! Выпуск 44. СПб,' 2007. С. 234-238'.

10. Скворцов А.В: Триангуляция Делоне и ее применение. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. - 128 с.

11. Трушин С.И4. Метод конечных элементов. Теория, и задачи. М1: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008. 256 с.

12. Тихомиров М.Д., Комаров И'.А. Основы моделирования литейных процессов. Что лучше метод конечных элементов'ил № метод конечных разностей. М.: Литейное производство.- 2002, N 5, с.22-28.

13. Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984. 247 с. ил.

14. Новацкий В^ Теория упругости. М.: Мир; 1975. - 872 с.

15. Розин Л.А. Задачи теории упругости и численные методы их решения. СПб, Изд-во СПбГТУ, 1998.

16. Алексеев В. А., Чукин В. Ф.-, Митрошкина М. В. Математическое моделирование тепловых режимов аппаратуры на ранних этапах ее* разработки. -М.: Информатика Машиностроение, изд. "Вираж-Центр", 1998.-с. 17-22.

17. Зинкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986.318 с.

18. Розин JI. А. Задачи теории упругости и численные методы их решения. СПб.: СПбГТУ, 1998. - 532 с.

19. Фаддеев, Д. К., Фадцеева В. Н. Вычислительные методы линейной алгебры. 3-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2002. - 733 с.

20. Воеводин В. В., Воеводин В. В: Параллельные- вычисления. -СПб.: БХВ, 2002. 600 с.

21. Бобылев5 А. А. Применение вариационного метода к решению задачи о контактном« взаимодействии упругой полуплоскости с жестким штампом. // сб. науч. тр. Компьютерные методы в задачах прикладной математики и механики. Киев: ПАН Украины, 1998. - С. 19-24.

22. Дорошенко А. Е. Математические модели и методы организации высокопроизводительных параллельных вычислений. Киев: Наукова думка, 2002. - 180 с.

23. Воеводин В. В. Численные методы алгебры (теория и алгоритмы). М:: Наука, 1966.-248

24. Люгер Дж. Ф. Искусственный интеллект: стратегии и методы решения сложных проблем. М.: "Вильяме", 2005.

25. Ларичев О.И. Теория и методы принятия решений. — М.: Логос,2000.

26. Buchanan B.G., Bobrow D., Davis R., Mc Dermott j., Shorlife E.M. Knowledge based systems. // Annu. Rep. Computer Science. 1990. №4. P.395-416.

27. Анфилатов B.C., Емельянов A.A., Кукушкин A.A. Системный анализ в управлении. М.: Финансы и статистика, 2005.

28. Балашов О. В., Трубник Е. М., Круглов В. В. Система поддержки принятия решений с адаптацией алгоритма вывода // Математическая морфология. Вып. 6, 2006 Электронный ресурс. Режим доступа: http://vmw.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM, свободный.

29. Countries share for 11/2009. Top500, Supercomputing sites Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.top500:org/charts/list/34/countries, свободный.

30. Нейлор К. Как построить свою, экспертную систему.- М.: Энер-гоатомиздат, 1991.

31. Ясницкий, Л. Н. Введение в искусственный интеллект. М.: Академия, 2005.

32. Harel D;, Statecharts: a visual formalism for complex systems. Sei. Computer Program:, vol.8; 1987. pp. 213-274.

33. Шевельков, В.Л. Теплофизические характеристики изоляционных материалов / В.Л. Шевельков М.-Л.: Гос. энерг. изд-во: 1958. 96 с.

34. Гольдфарб Э.М. Теплотехника металлургических процессов. -М.: Металлургия, 1967 440 с.

35. Алексеев В. А. Глава 13. Обеспечение тепловых режимов источников вторичного электропитания и их элементов. В справочнике "Источники электропитания РЭА." - М.: Радио и связь, 1985. - с. 520-569

36. Алексеев В. А. Расчет нестационарной теплопередачи многослойной стенки с неодинаковыми площадями контакта между слоями. -Инж.-физ. журнал. Минск, 1985. - том XLIX, №3. - с. 491-496.

37. Алексеев В.А., Чукин В.Ф., Митрошкина М.В. Математическое моделирование тепловых режимов аппаратуры на ранних этапах ее разработки. М.: Информатика - Машиностроение, изд. "Вираж - Центр", 1998. - с. 17-22.

38. В.А. Алексеев, В.В. Антонов. Расчет устройств охлаждения электронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ. сб. "Электронная техника в автоматике". - М.: Радио и связь, 1985. - вып. 16. -с. 147-155.

39. Алексеев В.А., Чукин В.Ф., Шишанов A.B. ПрогнозированиеIтеплового режима бортовой радиоэлектронной аппаратуры. — Электронныйжурнал «Системотехника». № 2, 2004. Режим доступа: http://systech.miem.edu.ru/2004/n2/Alekseev.htm, свободный.

40. Г.Н. Дульнев, В.Г. Парфенов, А.В. Сигалов. Методы расчета те-плового-режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. - 312 с.

41. Charles Forgy, «A network match routine for production systems.» Working Paper, 1974.

42. Басов K.A. «ANSYS. Справочник пользователя». M.: «Бином»,2005.

43. Design analysis made simple. Introducing COSMOSWorks. Техническая документация к программному обеспечению COSMOSWorks2006.

44. Алямовский А.А., Собачкин А.А., Одинцов А.А., Харитонович А.И., Пономарев Н.Б. «SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике». СПб: bhv, 2005.

45. Прохоренко В.П. SolidWorks. Практическое руководство. М: Бином, 2004.

46. Рындин Е.А. Методы решения задач математической физики.: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. - 119 с.

47. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. Приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения. М.: Наука, 1967. - 368 с.

48. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошной среды. М.: Гос-техиздат, 1954 -301 с.

49. Ларичев О. И., Петровский А. В. Системы поддержки принятия решений. Современное состояние и перспективы их развития. // Итоги науки и техники. Сер. Техническая кибернетика.— Т.21. М.: ВИНИТИ, 1987, с. 131—164.

50. ГОСТ Р 51794-2001. Аппаратура радионавигационная глобальной навигационной спутниковой системы и глобальной системы позиционирования. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек М.: Госстандарт России, 2001.

51. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛО-НАСС. Под ред. В. Н. Харисова, А. И. Перова, В. А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998. - 400 с. : ил.

52. Системы параллельных вычислений Электронный ресурс. Режим доступа: http://Parallel.ru/, свободный.

53. J. A. Roden and S. D> Gedney . Convolution PML (CPML): An efficient FDTD implementation of the CFS-PML for arbitrary media». Microwave and Optical Technology Letters 27. 2000. p 334-339.

54. Абчук В!А., Матвейчук Ф.А., Томашевский Л.П. Справочник по исследованию операций. — М.: Воениздат, 1979. -451 с.

55. Формалев В.Ф., Ревизников Д.Л. Численные методы. Изд. 2-е, испр., доп. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 400 с.

56. Рычков С.П. MSC. Visual NASTRAN для Windows. М.: НТ ПРЕСС, 2004. - 552 с.

57. Шимкович Д.Г. Femap & Nastran. Инженерный анализ методом конечных элементов. М. :ДМК-Пресс, 2008. 704 с.

58. Сергеев С.Л. Архитектуры вычислительных систем. СПб.:БХВ-Петербург, 2010. - 240 с.

59. Калинкина Т.И., Костров Б.В., Ручкин В.Н. Телекоммуникационные и вычислительные сети. Архитектура, стандарты и технологии. СПб.: БХВ-Петербург, 2010. 288 с.

60. Ильин В.П. Методы конечных разностей и конечных объемов для эллиптических уравнений. Новосибирск: Изд-во Ин-та математики, 2000. -345 с.

61. Бройдо В.Л., Ильина О.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. СПб. Литер, 2008. 768 с.

62. О.М. Аншаков, В.К. Финн. Так называемые нечеткие логики и одноимпликационные исчисления. Многозначные логики и их применения. / Справочник под ред. Финна В.К. Том 1. М.: УРСС, 2008. 416 с.

63. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М. Мир, 1984.

64. Джарратано Дж., Райли Г. Экспертные системы. Принципы разработки и программирование. М.: Вильяме, 2007. 1152 с.

65. Ездаков А.Л. Экспертные системы САПР. М.: Форум, 2009. 160 с.

66. Ручкин В.Н., Фулин В.А. Универсальный искусственный интеллект и экспертные системы. СПб.:БХВ-Петербург, 2009. 240 с.

67. Дистанционная система поддержки принятия решений по выбору конфигураций САПР. Методы поддержки принятия решений / Антология. Под ред. О. И. Ларичева. М.: Едиториал УРСС, 2001. 72 с.

68. Черноруцкий И.Г. Методы принятия решений. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 408 с.

69. Сергеев С.Л. Архитектуры вычислительных систем. СПб.:БХВ-Петербург, 2010. 240 с.