Разработка специального математического и программного обеспечения эволюционного размещения электрорадиоэлементов с учётом тепловых полей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Брагин, Дмитрий Михайлович

• Брагин, Дмитрий Михайлович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Брагин, Дмитрий Михайлович

Введение.

Глава 1. Анализ проблем моделирования тепловых полей в системах автоматизированного размещения ЭРЭ.

1.1. Иерархия конструктивного построения РЭС с позиций анализа тепловых характеристик.

1.2. Связь тепловых характеристик с основными расчетными процедурами.

1.3. Постановка задачи теплового моделирования РЭС с позиции системного анализа тепловых характеристик.

1.4 Функциональный анализ систем автоматизированного проектирования радиоэлектронных систем.

1.5. Комплексный анализ систем математического моделирования тепловых процессов.

1.6. Сравнительный анализ систем размещения ЭРЭ на монтажном пространстве.

1.7. Цель работы и задачи исследования.

Глава 2. Разработка структуры интегрированной системы моделирования тепловых полей и эволюционного размещения электрорадиоэлементов на монтажном пространстве.

2.1. Реализация процесса анализа тепловых характеристик РЭС в рамках интегрированных компьютерных технологий.

2.2. Модульная структура интегрированной системы моделирования и размещения элементов на монтажном пространстве.

2.3. Основные этапы моделирования и проектирования РЭС с использованием графических библиотек элементов.

2.4. Постановка задачи поиска оптимальных решений задачи размещения ЭРЭ.

2.5. Формирование критерия размещения ЭРЭ с учётом тепловых процессов.

2.6. Формирование исходной информации для математического моделирования тепловых процессов печатных узлов.

2.7. Анализ использования графических форматов для интеграции графических систем моделирования и проектирования.

2.8. Конвертация графических форматов файлов для интеграции систем автоматизированного проектирования и моделирования.

Выводы.

Глава 3. Математические методы поиска оптимальных решений в задаче размещения электрорадиоэлементов с учётом результатов моделирования тепловых полей.

3.1. Основные этапы процесса принятия проектных решений по размещению ЭРЭ на монтажном пространстве.

3.2. Размещение элементов по центрам кластеров с помощью генетического алгоритма.

3.2.1. Представление допустимых решений задачи размещения в виде бинарных строк.

3.2.2. Вариабельные признаки особей эволюционного процесса размещения.

3.2.3. Взаимодействие основных факторов эволюции популяции в течении жизненного цикла.

3.3. Модификация метода компоновки для размещение элементов в кластере.

3.4. Модификация метода локальных минимумов для размещения элементов внутри кластера.

Выводы.

Глава 4. Программная реализация системы эволюционоого размещения элементов с учётом тепловых полей.

4.1. Структура интегрированной базы данных радиоэлектронных компонентов.

4.2. Графический интерфейс «Универсальной справочной системы электронных компонентов».

4.3. Программный модуль конвертации графической базы данных из системы P-CAD в AutoCAD.

4.4. Программный модуль «Система эволюционного размещения электрорадиоэлементов на монтажном пространстве с учётом тепловых полей».

4.5. Графический интерфейс и основные принципы работы программы размещения ЭРЭ.

4.6. Апробация размещения ЭРЭ на монтажном пространстве с учётом результатов моделирования тепловых полей.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка специального математического и программного обеспечения эволюционного размещения электрорадиоэлементов с учётом тепловых полей»

Актуальность темы. В современных условиях интенсивное усовершенствование радиоэлектронных систем (РЭС), направленное на увеличение степени миниатюризации узлов и блоков и повышение требований к надёжности, приводит к необходимости учитывать проблемы анализа тепловых характеристик элементов. Тепловые нагрузки в первую очередь, сказываются на режимах работы электрорадиоэлементов (ЭРЭ), что прямым образом влияет на качество и степень надёжности готового изделия.

Сложность комплексного математического моделирования тепловых режимов и теплового проектирования РЭС заключается в отсутствии у разработчика единой программной среды моделирования и проектирования. Современные пакеты программного обеспечения, предназначенные для размещения ЭРЭ на монтажном пространстве, как правило, не учитывают тепловые режимы работы РЭС и соответственно не проводят их оптимизацию, а предпологают только топологическую оптимизацию для последующей трассировки печатного узла.

Одним из подходов к решению задачи обеспечения оптимального теплового режима функционирования РЭС, является совместное использование методов эволюционного моделирования (генетических алгоритмов) для размещения ЭРЭ на монтажном пространстве и систем математического моделирования тепловых режимов. Такой выбор обусловлен некритичностью генетических алгоритмов к виду оптимизируемой функции, их высокими адаптационными свойствами и быстрой сходимостью при решении оптимизационных задач. Комбинация из методов эволюционного и теплового моделирования позволяет гарантированно получать наборы допустимых проектных решений.

Таким образом, актуальность темы исследования обусловлена необходимостью разработки математических и программных средств, позволяющих получать и оценивать проектные решения размещения ЭРЭ на монтажном пространстве с оперативным учетом результатов моделирования тепловых режимов функционирования РЭС.

Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы».

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка специальных математических и программных средств для принятия проектных решений по эволюционному размещению элементов на монтажном пространстве с оперативным учётом результатов математического моделирования тепловых режимов работы радиоэлектронных систем.

Для достижения поставленной цели в работе определены следующие задачи исследования:

- провести комплексный анализ проблем моделирования тепловых полей в системах автоматизированного размещения электрорадиоэлементов;

- разработать структуру интегрированной системы моделирования • тепловых полей и размещения электрорадиоэлементов на монтажно-коммуникационном пространстве;

- сформировать унифицированную графическую базу данных моделей ЭРЭ для поддержки и проведения моделирования и размещения элементов;

- разработать математические методы поиска оптимальных решений в задаче размещения электрорадиоэлементов с учётом результатов моделирования тепловых полей;

- создать специальное программное обеспечение, реализующее эволюционное размещение электрорадиоэлементов с учётом тепловых полей.

Методы исследования. В качестве теоретической и методологической основы диссертационного исследования использованы методы теории системного анализа, систем управления базами данных, математического моделирования, объектно-ориентированного программирования, математического программирования, компьютерной графики и эволюционных методов оптимизации.

Научная новнзна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

-предложена модульная структура интегрированной системы моделирования и эволюционного размещения ЭРЭ на монтажном пространстве с оперативным учётом тепловых полей;

-сформирована унифицированная интегрированная графическая база , данных моделей ЭРЭ для проведения комплексного моделирования и проектирования РЭС с использованием различных CAD систем;

- модифицирован набор математических методов, состоящий из модифицированного генетического алгоритма и алгоритма локальных минимизаций для генерации и оценки результатов принятия проектных решений по размещению ЭРЭ на монтажно-коммутационном пространстве с учётом тепловых процессов;

- разработан алгоритм и программное обеспечение конвертации графических форматов файлов для интеграции различных систем моделирования • и проектирования с сохранением исходной структуры проекта;

- создан набор алгоритмов, реализованных в виде специального программного обеспечения, позволяющего проводить эволюционную оптимизацию размещения в составе интегрированной графической системы моделирования и проектирования сложных радиоэлектронных систем.

Практическая значимость работы. В работе предложен комплекс программных средств, позволяющий проводить моделирование тепловых режимов, анализ и оптимизацию процесса размещения ЭРЭ на монтажном пространстве. В рамках диссертационной работы разработано программное • обеспечение «Универсальная справочная система радиоэлектронных компонентов для графических САПР», зарегистрированная в ФАП ВНТИЦ РФ и «Система эволюционного размещения электрорадиоэлементов на монтажном пространстве с учётом тепловых полей».

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы были апробированы при разработке блока питания системы уличного светодиодного освещения, разрабатываемого в ООО «Рустехресурс» и электронного датчика реле температуры БУТ-Э1, разрабатываемого в ООО «Трейд». Результаты диссертационной работы также используются в учебном процессе ВГТУ в дисциплинах «Конструкторское технологическое обеспечение производства ЭВМ» и «Автоматизированное проектирование вычислительных систем».

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на Международной открытой научной конференции «Информационные технологии моделирования и управления» (Воронеж, 2004); Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2004); X Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (Воронеж, 2005); XI Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации в моделировании и программировании» (Воронеж, 2006); XII Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 2007).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 3-в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 3] - методы реализации процесса размещения электрорадиоэлементов на монтажном пространстве с учётом тепловых процессов; [2] - модель синтеза трёхмерных объектов; [4, 5, 10] - структура интегрированных библиотек для систем моделирования и проектирования РЭС; [6, 11] - структура универсальной справочной системы электронных компонентов для поддержки процесса моделирования и проектирования электронных систем; [7, 8] - методы интеграции различных систем моделирования и проектирования РЭС.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 62 наименований. Основная часть работы изложена на 160 страницах, содержит 20 рисунков, 4 таблицы и 4 приложения.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Брагин, Дмитрий Михайлович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе функционального анализа систем математического моделирования и проектирования РЭС была предложена структура единой, комплексной графической среды моделирования и проектирования сложных РЭС с учётом оптимизации тепловых полей элементов.

2. Сформирована унифицированная интегрированная графическая база данных моделей ЭРЭ для поддержки и проведения математического моделирования и проектирования РЭС с использованием различных графических систем.

3. Модифицирован набор математических методов для генерации вариантов проектных решений, состоящий из модифицированного генетического алгоритма и алгоритма локальных минимизаций.

4. Разработаны математические методы для оценки результатов проектных решений по размещению ЭРЭ на монтажном пространстве с учётом моделирования тепловых процессов, основанные на эволюционных методах решения оптимизационных задач.

5. Разработан алгоритм и программное обеспечение для конвертации графических форматов файлов между различными средами моделирования и проектирования с сохранением исходной структуры проекта.

6. Создано специальное программное обеспечение, реализующие моделирование и оптимизацию размещения ЭРЭ с учётом тепловых процессов, в составе единой графической системы математического моделирования и проектирования.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ РЭС - радиоэлектронная система ЭРЭ - электрорадиоэлемент ТУ - технические условия ТЗ - техническое задание ГА - генетический алгоритм МТП - модель тепловых процессов ПК - программный комплекс ПП - печатная плата ПУ - печатный узел НК - несущая конструкция БД - базы данных ГБД - графические базы данных СУБД - система управления базой данных ЦФ - целевая функция ФЯ - функциональная ячейка

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Брагин, Дмитрий Михайлович, 2007 год

1. Артемьев В.И. Организация диалога в САПР: Практ. пособие /В.И. Артемьев, В.Ю. Строганов. М.: Высш. шк., 1990. - 158 с

2. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования. :Учеб. Пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1984. - 248 с.

3. Батищев Д.И. Генетические алгоритмы решения экстремальных задач/ Под ред. Академика АЕН Я. Е. Львовича : Учеб. пособие . Воронеж, гос. техн. ун-т; Нижегородский гос. ун-т. Воронеж, 1995. -69с.

4. Батищев Д.И., Львович Я.Е., Фролов В.Н. Оптимизация в САПР: Учебник-Воронеж: Издательство ВГУ, 1997 .- 416с.

5. Барабанов В.Ф. Интерактивное моделирование и проектирование технологических процессов с использованием графических баз данных. -Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2001.-182 с.

6. Барабанов В.Ф., Брагин Д.М. Разработка интегрированных библиотек в системе P-CAD. // Информационные технологии моделирования и управления: Международный сборник научных трудов. Выпуск 15. Издательство «Научная книга». 2004г. с. 8-12.

7. Барабанов В.Ф., Брагин Д.М. Разработка универсальной справочной системы электронных компонентов. // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: Труды Всероссийской конференции. ВГТУ, 2004 г. с. 27-29.

8. Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»// Воронеж, гос. тех. унт., 2004 г. с. 20.

9. Барабанов В.Ф., Брагин Д.М. Программа «Универсальная справочная система электронных компонентов». ФАП ВНТИЦ № 50200400860 от 03.08.2004.

10. Барабанов В.Ф., Брагин Д.М., Гребенникова Н.И. Методические указания для выполнения лабораторных работ по курсам КТО и АПВС. -Воронеж: ВГТУ. 2004. с. 21.

11. Брагин Д.М., Барабанов В.Ф. Интеграция универсальной справочной системы и библиотек системы P-Cad // Современные проблемы информатизации в технике и технологиях: Сб. трудов. Вып. 10. Воронеж: Издательство "Научная книга", 2005. -С. 211.

12. Ю.Брагин Д.М.Барабанов В.Ф. Разработка и использование отечественных интегрированных библиотек в системе P-CAD // Прикладные задачи моделирования и оптимизации: Межвузовский сборник научных трудов. -Воронеж, 2006. С.178-182.

13. Брагин Д.М. Автоматизированное размещение элементов на печатной плате с учётом тепловых полей //Современные проблемы информатизации и моделирования и программировании. Сборник научных трудов. Выпуск 12. Издательство «Научная книга». 2006г. с. 266-267.

14. Ватанаб Э. М. Проектирование СБИС / Ватанабэ М., Асасда К., Кани К.//М.: Мир, 1988.-304 с.

15. Влах И. Машинные методы проектирования электронных средств /И. Влах, К. Сингхал. М.: Радио и связь, 1990. - 312 с.

16. Гольдин B.B. Исследование тепловых характеристик РЭС методами математического моделирования: Монография / В.В. Гольдин, В.Г. Журавский и др.; Под ред. A.B. Сарафанова М.: Радио и связь, 2003. - 456с.

17. ГОСТ РВ 20. 39. 304-98. Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам. М, 1998.

18. Гребенникова Н.И., Брагин Д.М. Структурирование интегрированных библиотек в системе P-CAD 200х. // Информационные технологии моделирования и управления: Международный сборник научных трудов. Выпуск 15. Издательство «Научная книга». 2004г. с. 20-23.

19. Глушицкий И. В. Охлаждение бортовой аппаратуры авиационной техники / М.: Машиностроение, 1987г. - 156с

20. Гольдин, В. В. Информационная поддержка жизненного цикла электронных средств / В. В. Гольдин, В. Г. Журавский, А. В. Сарафанов, Ю. Н. Кофанов. М: Радио и связь, 2002г. - 386 с.

21. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. Мир -Москва, 1985г. -С.270.

22. Дульнев Г. Н. Методы расчета тепловых режимов прибора / Г. Н. Дульнев, В. Г. Парфенов, А. В. Сигалов. М.: Радио и связь, 1990. - 312 с.

23. Кофанов Ю. Н. Автоматизация проектирования РЭС. Топологическое проектирование печатных плат: Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. / Ю. Н. Кофанов, А. В. Сарафанов, С. И. Трегубое. М.: Радио и связь, 2001г.-220 с.

24. Кофанов Ю. Н. Автоматизация проектирования и моделирования печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры / Ю. Н. Кофанов, Н. В. Малютин, A.B. Сарафанов и др. М: Радио и связь, 2000. - 389 с

25. Киселев А. Г. САПР-K. Программные продукты: Ч. 4. Обзор систем моделирования вибропрочности и тепловых режимов / А. Г. Киселев. Новосибирск, 1999. -100с.

26. Кофанов Ю. Н. Моделирование тепловых процессов при проектировании, испытаниях и контроле качества радиоэлектронных средств / Ю. Н. Кофанов, А. И. Манохин, С. У. Увайсов. М., 1998. -139 с.

27. Кутателадзе О. С. Теплопередача и гидравлическое сопротивление / О. С. Кутателадзе. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.

28. Касьян Н. Н. Комплексное математическое моделирование электрических и тепловых процессов радиоэлектронных средств / Н. Н. Касьян, А. С. Конавальчук, Ю. Н. Кофанов, В. Н. Крищук. Зап.: ЗГТУ, 1995. - с 118.

29. Кофанов Ю. Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности радиоэлектронных средств: Учебник / Ю. Н. Кофанов. М.: Радио и связь, 1991.-360 с.

30. Ключахин И. В. Экспертная система для размещения ЭРЭ на печатных латах бортовых РЭС / И. В. Ключахин, А. В. Сарафанов // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. науч. тр. / Под. ред. А. В. Сарафанова. -Красноярск: ИПЦКГТУ, 2000. С. 273-276.

31. Кофанов Ю. С. Подсистема анализа и обеспечения тепловых характеристик радиоэлектронной аппаратуры «АСОНИКА-Т'» Ю. Кофанов, Ю. Потапов, А. Сарафанов // CHIP NEWS Инженерная электроника: Науч.-техн. журн. - М.: «CHIP NEWS», 2001. - № 6 (59). - С. 56-58.

32. Курейчик В. В. Перспективные архитектуры генетического поиска/ Программные продукты и системы, № 3., 1998, -с. 47-48.

33. Курейчик М.В. Математическое обеспечение конструкторского и технологического проектирования с применением САПР. Учебник для вузов.

34. M.: Радио и связь1990. с. 352.

35. Малииский В. Д. Испытания аппаратуры и средств измерений на воздействие внешних факторов: Справочник / В. Д. Малинский, В. X. Бегларяи, JI. Г. Дубицкий; Под ред. В. Д. Малинского. М: Машиностроение, 1993. - 573 с.

36. Малоземов В. В. Системы терморегулирования космических аппара тов / В. В. Малоземов, Н. С. Кудрявцева. М.: Машиностроение, 1995. - 107 с.

37. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. -М.: Энергия, 1973.

38. Норенков И.П. САПР. Принципы построения и структура. М.: Высш. шк., 1986.-126 с.

39. Петров A.B. Проблемы и принципы создания САПР: Практ. пособие /A.B. Петров, В.М. Черненький. М.: Высш. шк., 1990. - 143 с.

40. Средства и технологии проектирования и производства электронных устройств. М.: Изд-во ОАО "Родник Софт", 2000. - № 1. - 32 с.

41. Селютин В.А. Автоматизация проектирования топологии БИС. М.: Радио и связь, 1983. - 112 с.

42. Стоян Ю. Г., Яковлев С. В. Математические модели и оптимизационные методы геометрического проектирования. Киев: 1986 -С. 158.

43. Справочные данные по гидроаэромеханике: Учеб. пособ. / Б. Т. Емцев, С. В. Избаш, Е. И. Пятигорский, И. В. Лебедев. М.: МЭИ, 1975. -98с.

44. Скурихин А. Генетические алгоритмы. Новости искусственного интеллекта, N.4., 1995, с. 6-17.

45. Сарафанов А. В. Исследование тепловых характеристик РЭА методом математического моделирования / А. В. Сарафанов // EDA EXPRESS: Науч.-техн. журн. М.: Изд-во ОАО "Родник Софт", 2002. - № 6. - С. 7-10.

46. Савельев М.В. КонструкторскоОтехнологическое обеспечениепроизводства ЭВМ: Учебное пособие для вузов. -М: Высш. шк. 2001.-е. 319.

47. Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. тр. Томск: НИЦ "Полюс", 1997. - 363 с.

48. Резников Г. В. Расчет и конструирование систем охлаждения ЭВМ / Г. В. Резников. М.: Радио и связь, 1988. - 224 с.

49. Чердаков Е. А. Проектирование топологии и компоновка ГИС с учетом тепловых режимов / Е. А. Чердаков, А. Н Чеканов, А. В Еланцев. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1989. - 43 с.

50. Лидский Э. А. Задачи синтеза при системном анализе РЭА / Э. А. Лидский. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1995. - 67 с.

51. Харри У. Основные формулы по теплообмену для инженеров / Уонг Харри. М.: Наука, 1997. - 327 с.

52. Хмелевской К.Г. Барабанов В.Ф., Брагин Д.М. Моделирование процесса синтеза трёхмерных объектов. // Вестник ВГТУ. Том 2 № 12 -Воронеж, 2006. С.83-84.

53. Харченко Р.А. Иследование способов эффективности отбора в генетических алгоритмах / Материалы науч. тех. конф.: Вычислительные машины, автоматика и робототехника.ВГТУ. МИКТ. Воронеж, 2004. -с.133-137.

54. Жаднов В.В. Автоматизация проектных исследований надежности радиоэлектронной аппаратуры: Научное издание / В. В. Жаднов, Ю. Н. Кофанов, Н. В. Малютин и др. М: Радио и связь, 2003. - 156 с.

55. Левин А. В. С415-сопровождение жизненного цикла / А. Левин, Е. Судов // Директору ИС. 2001. - № 3.

56. Kikuo Fujita, Shinsuke Akagi. Hybrid Approach for Otimal Nesting Using a Genetic Algorithm and a Lokal Minimization Algorithm, 1993, Osaka, JAPAN.

57. Goldberg D.E., Genetic Algorithms in Search, Optimization and Mashine Learning, Addison-Wesley, 1989.

58. Manderick В., de Weger M., The Genetic Algorithm and the Structure of the Fitness Landscape, Proc. Of 4th International Conference on Genetic Algorithms, Morgan Kaufmann, 1992, pp. 143-150.