автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Информационная система поддержки принятия решений при проектировании процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов

На правах рукописи

Реутова Мария Вячеславовна

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВАУГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И ФУЛЛЕРЕНОВ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004г.

Работа выполнена в Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете).

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Ивашов Е.Н.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Глазунов В.А. Кандидат технических наук, доцент Зародов А.Ф.

Ведущее предприятие:

Научно-исследовательский институт систем управления волновых процессов и технологий Министерства образования и науки Российской Федерации (НИИ СУВПТ)

Защита диссертации состоится 2004 года в

/0.00 часов на заседании диссертационного совета Д217.047.01 в Федеральном Государственном унитарном предприятии «Научно-исследовательский экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования» (ФГУП НИИ АЭ) по адресу: 105187, г. Москва, ул. Кирпичная, д. 39.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП НИИ АЭ по адресу: 105187, г. Москва, ул. Кирпичная, д. 39.

Автореферат разослан гГлЛА 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д217.047.01

Кандидат технических наук Л.И. Мартинова

Актуальность работы. В процессе развития науки и техники, создаваемые технические системы и устройства становятся все более сложными. Широкое внедрение компьютеризации в условиях научно-технического прогресса обеспечивает рост производительности труда в различных областях производства.

Развитие микроэлектроники, переход на нанотехнологии требует использования различных углеродных соединений. Внедрение таких соединений сдерживается сложностью проектирования процесса производства, отсутствием моделей и способов его оценки на отдельных стадиях разработки. Поэтому актуальна разработка элементов автоматизированных систем проектирования, включающая комплекс методических средств и моделей, а также способов оценки качества проекта в целом.

Одним из наиболее мощных средств для исследования и проектирования технических систем является моделирование. Использование моделирования, начиная с ранних стадий проектирования, и постепенное накопление информации за счет уточнения и детализации модели позволяет говорить о расширяемой адаптивной модели всего цикла проектирования. Соответственно, при анализе различных свойств объекта проектирования (ОП) модельное представление должно формироваться наиболее подходящим для этой цели образом, независимо от конкретного процесса или этапа проектирования, и сохранять все требуемые свойства проектируемого объекта.

Современные технологии замедляются не столько отсутствием научных достижений и инженерных идей, сколько сроками и не всегда удовлетворительным качеством - их реализации при конструкторско-технологической разработке. Одним из направлений решения этой проблемы является создание и развитие автоматизированных систем проектирования различных нанотехнологических процессов, в том числе процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Создание автоматизированной системы проектирования оборудования

создания информационной системы поддержки принятия решений на каждом этапе проекта.

Поэтому разработка элементов автоматизированной системы проектирования процесса производства углеродных нанотрубок и материалов является задачей актуальной и своевременной.

Цель работы: Целью диссертационной работы является разработка информационной системы поддержки принятия решений, при проектировании оборудования для производства углеродных нанотрубок и фуллеренов. Это позволит развить и усовершенствовать методы получения углеродных наноматериалов в промышленных количествах, с целью последующего их использования, сократить время процесса проектирования, выбрать наилучшие варианты среди спроектированных, рассчитать электромагнитные и магнитные системы оборудования, с использованием различных устройств, влияющих на управляемые параметры, процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Задачи исследований. Для реализации поставленной цели выполнен следующий комплекс исследований:

1. Проведены аналитические исследования в областях производства углеродных наноструктур и средств автоматизированного проектирования.

2. Рассмотрен теоретический подход решения задачи создания элементов автоматизированной системы проектирования процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

3. Разработаны математические модели формирования углеродных нанотрубок и фуллеренов.

4. На основе морфологического анализа-синтеза созданы технические решения устройств, для формирования углеродных нанотрубок и фуллеренов.

5. Созданы алгоритмы и пакеты прикладных программ, которые войдут в основу разрабатываемой информационной системы поддержки принятия решений при проектировании процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Методы исследования.

В качестве методов исследования в работе используются положения теории систем, теории множеств, теории принятия решения, имитационная модель, морфологический анализ-синтез уже известных методов получения углеродных нанотрубок и фуллеренов и, на основе изученного, предложены новые варианты решения этой задачи с внесением дополнительных устройств. Научная новизна обусловлена:

1. Созданием информационной системы поддержки принятия решений при проектировании процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

2. Предложенными моделями полиморфных структурных изменений в углеродных нанотрубках и фуллеренах.

3. Моделью влияния магнитного поля на формирование углеродных нанотрубок и фуллеренов.

4. Физической моделью процессов, протекающих при образовании углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Практическая значимость.

1. Предложено автоматизированное рабочее место (АРМ) для разработчика процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

2. Разработаны технологические устройства для получения углеродных нанотрубок и фуллеренов, а также технологическое устройство с использованием углеродных нанотрубок.

3. Созданы программные продукты по расчету магнитных и электромагнитных систем оборудования для производства углеродных нанотрубок и фуллеренов (Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ №2003611934 и №2003611935).

Достоверность результатов. Достоверность проведенных теоретических исследований обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых подходов и методов, а также сравнением с теоретическими данными, известными в литературе и полученными автором.

Реализация и внедрение результатов работы.

Теоретические и практические результаты используются в учебном процессе МИЭМ и практике системного конструирования для производства материалов и приборов электронной техники в НИИ микроэлектроники и информационно - измерительной техники, НИИ перспективных материалов и технологий, НИИ систем управления, волновых процессов и технологий. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математические модели формирования углеродных нанотрубок и фуллеренов.

2. Результаты теоретических исследований физических процессов, происходящих при образовании углеродных нанотрубок и фуллеренов.

3. Морфологический анализ-синтез в организации поиска технических решений структурных схем устройств, для образования углеродных нанотрубок и фуллеренов.

4. Применение метода Саати в задаче принятия решения при практической реализации элементов автоматизированного проектирования процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

5. Создание информационной системы поддержки принятия решений при проектировании процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника»; на научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и качества», а также на конференциях МГИЭМ для молодых ученых и специалистов в 2002,2003,2004гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе получено 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ, сделано 2 доклада на Всероссийских конференциях, написано 4 депонированных статьи, получено 3 патента РФ на полезные модели.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, заключения, списка литературы и приложения.

Работа изложена на 160 страницах, включая акты внедрения и приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, определены цель и задачи работы, сформулированы научная новизна, основные научные положения, выносимые на защиту, и практическая значимость работы.

В первой главе проведен обзор работ российских и зарубежных ученых, работающих над данной проблемой.

Выполнен анализ существующих моделей формирования углеродных нанотрубок и фуллеренов, сформулированы задачи построения информационной системы поддержки принятия решений при проектировании процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Вторая глава посвящена теоретическому подходу к решению задачи создания элементов автоматизированной системы проектирования процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов. Одним из средств автоматизированного проектирования является применение методов имитационного моделирования.

Для имитационного анализа определена система оборудования для производства углеродных нанотрубок и фуллеренов, установлены ее границы и показатели эффективности. Основываясь на методах планирования эксперимента, построен экстремальный план и по результатам пробных прогонов проведен анализ адекватности и границ устойчивости.

Элементы имитационной модели представляют собой отдельные подсистемы проектируемого оборудования. На этапах проектирования, в процессе уточнения, вводятся новые элементы модели, учитывающие аспекты поведения объекта проектирования, не учтенные на предыдущих этапах.

Чтобы задать сложную систему, необходимо представить описание всех ее элементов и описание взаимодействия между ними. Внешняя среда, воздействующая на систему, также рассматривается состоящей из элементов.

Рис.1. Схема процесса автоматизированного проектирования оборудования для производства углеродных нанотрубок и фуллеренов

Исходным документом для начала проектирования является техническое задание.

На основе технического задания создается проект (рис.1). Разрабатываются эскизы структурной и функциональной схем устройства, производится предварительная компоновка и размещение.

Далее разработанный проект исследуется и многократно уточняется, при этом происходит постепенный переход от эскизного проекта к техническому.

Порядок проведения тех или иных работ в процессе автоматизированного проектирования регламентируется соответствующими алгоритмами.

Предложена схема алгоритма моделирования установки для получения углеродных нанотрубок и фуллеренов (рис.2)

Предлагаемый алгоритм включает базовый набор работ, которые необходимо провести при проектировании оборудования.

Анализ ТЗ

X

Разработка электромагнитной

схемы -*-

Моделнроа. электоромагннт ных процесс о*

Исследование разбросов

Ъзмекеннг ^ необходимы ]

Ъзмеиеннг ^необходимы ]

разработка конструкции

45 <0

Разработка

магнитной схемы

*

Моделирование

магнитных

процессов

* •

Исследование

разбросов

Моделирование электромагнитных процессов с учетом плазменных процессов

Лпмеяекягч. .—. ^необходимы у-^В ^

нсследовакае разбросов

Изменена! схемы

Изменения 1 конструкции

т г

"^Измените ТЗ^*"

Рис.2 Схема алгоритма моделирования установки для получения углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Описание объекта проектирования в форме математической модели включает следующие компоненты и правила:

С - цель функционирования; ^п^ - множество элементов, составляющих систему; Т{у - множество элементов времени; Пт{птк} - множество признаков, характеризующих систему в целом на всех этапах жизненного цикла; ПВ{ПВС} - множество признаков, характеризующих элементы на всех этапах жизненного цикла; DC{dBK} - множество состояний элементов в рассматриваемый промежуток времени; W = De хТ - правило упорядочения смены состояний; ^п^ пе} - множество связей между всеми элементами системы; R: {пвк = ри(п/)} - математические схемы, описывающие отношения между признаками элементов и признаками систем; Па{па} - множество признаков, определяющих взаимодействие системы со средой.

Процесс проектирования как переход от одного описания объекта к другому может быть выражен как я, П0 = ОП1ОП2 ... ОП, Ь = 1... Ь, где По - процесс проектирования, ОП1, ОП2...ОП1 - описание объекта проектирования на разных этапах его разработки.

СУ - система управления; ВС - вакуумная система; ТС - технологическая система; СП - система перемещений.

Рис. 3. Структурная схема объекта проектирования. Структура ОП представлена на рис. 3 и включает:

вакуумную систему (ВС), систему управления (СУ), технологическую систему (ТС), систему перемещений (СП). В (СП) входят устройство транспортирования (Ус1), шлюзовое устройство (Ус2), устройство манипулирования (УсЗ) (рис. 4).

Рис. 4. Структурная схема блока системы перемещений.

Устройство манипулирования (УсЗ) состоит из опорных узлов (Уз31), узлов смазки (Уз32), и узлов передачи движения (УзЗЗ) (рис. 5).

Рис. 5. Структурная схема устройства манипулирования.

Узел передачи движения (Уз31) включает: (ЩИ) - шарики; (Д312) -сепаратор; (Д313) - внутреннее кольцо; (Д314) - наружное кольцо, (рис. 5)

Ц

Третья глава посвящена теоретическим исследованиям физических параметров для построения математических моделей процессов формирования углеродных нанотрубок и фуллеренов.

В установке термического получения наноматериалов происходит следующее: в столбе дуги имеются заряженные частицы (электроны и положительно заряженные ионы), которые могут образовываться в газе разрядного промежутка или поступать за счет эмиссии электронов с поверхности электродов. При прохождении электрического тока через газовый промежуток ионы перемещаются к отрицательному полюсу, а электроны к положительному. Магнитное поле напряженностью В искривляет путь частицы и заставляет двигаться ее по ларморовскому радиусу г с циклотронной угловой частотой. Электрон вращается по часовой стрелке, создавая с вектором магнитного поля правовинтовую систему. Положительный ион вращается в обратном направлении по окружности, радиус г которой определяется из условия:

0)

При закручивании ионов происходят столкновения. Для того, чтобы произошло столкновение, центры молекул должны находится на минимальном расстоянии, равном диаметру d частицы. Принимая модель упругих шаров, легко видеть геометрический смысл сечения Q - это площадь круга радиусом, равным сумме радиусов сталкивающихся частиц. При учете движения обеих частиц принимают:

(2) ,

Поскольку в столбе дуги два тока - электронный и ионный, то сила F будет направлена по-разному для каждой частицы. Скорости электронов и ионов противоположны, и сила F для любой частицы оказывается направленной к центру дуги. Собственный магнитный поток столба дуги, силовые линии которого концентрически охватывают столб, стабилизирует дугу вследствие пинч-эффекта.

0?В=ту31г, откуда г = —— <2В

Период вращения частицы: T = = Скорость иона можно

рассчитать по формуле v = . Радиус закрутки г =

Положительно заряженные ионы движутся от анода к катоду со скоростью v под углом а к вектору В. Их движение можно представить в виде суперпозиции:

1) равномерного прямолинейного движения вдоль поля со скоростью v, = vcosa;

2) равномерного движения со скоростью v2 = vsina по окружности в плоскости, перпендикулярной полю.

В результате сложения обоих движений возникает движение по спирали, ось которой параллельна магнитному полю. Хиралыюсть нанотрубки зависит от угла закручивания ионов.

На обнове моделей, правил и данных была создана база знаний. С помощью базы знаний созданы программные продукты по расчету магнитных и электромагнитных систем оборудования для производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Четвертая глава посвящена морфологическому анализу - синтезу в организации поиска технологических решений процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов. Морфологический метод позволяет на основе проанализированных основных конструктивных признаков группы устройств для получения наноматериалов, выбрать альтернативные варианты исполнения и реализации установок. Комбинируя их между собой, получаем множество различных решений, которые представляют практический интерес.

Морфологический анализ включает операции, выполняемые алгоритмически. Сущность его состоит в расчленении общей функции проектируемогр объекта на частные и в отыскании возможных способов их выполнения. То или иное сочетание способов выполнения всех частных функций и составляет вариант технического решения:

где Хк - элемент множества технических решений; X - полное множество технических решений; и, - средство ] выполнения функции 1;иг множество средств выполнения функции 1.

Тогда общее число сочетаний способов выполнения частных функций:

лгл=П*«>

(6)

где п - число частных функций; к, - число средств реализации частной функции.

Рис 6 Функциональная схема технического объекта. Функциональные элементы множества (рис. 6): WBX - входная величина;

WВЫХыходная величина; Р(к) - постоянная структурная величина; 2(у) -

управляющая величина.

Функция рассматриваемого процесса производства

(5)

где 8Н - начальное состояние процесса производства; 8К - конечный результат;

Н,

особые условия и ограничения.

(6)

приводящего к желаемому результату; О(0) - указание объекта, на который

направлено действие.

Предложены варианты технических устройств для получения и

использования углеродных нанотрубок и фуллеренов. Оформлено 5 заявок на

14

гле Б(0) - указание действия, производимого технической системой

патенты Российской Федерации, получено 3 Патента Российской Федерации на полезную модель.

Пятая глава посвящена выбору оптимального варианта технологического решения процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

При выборе рациональных вариантов установок для получения углеродных нанотрубок и фуллеренов, основанных на термическом распылении графитового электрода в Не, функционирование установки должно удовлетворять многим критериям эффективности одновременно: критерии, влияющие на высокую производительность: ¡1 - постоянное давление Не, ¡2 -минимальный ток дуги, ¡3 - фиксированное расстояние между зазорами, ¡4 -температура, непрерывный поток Не, ¡5 - эффективное охлаждение стенок, ¡6 -внешнее магнитное поле или электромагнит; критерии, полученных нанообъектов: ¡7 - количество годных, ¡8 - количество стенок нанотрубки, ¡9 -дефекты, ПО - длина, ¡11 - свойства многостенных нанотрубок, ¡12 -хиральность, ¡13 - строение фуллеренов С60, С70...

Основной концепцией, используемой при многокритериальной оптимизации, является концепция недоминируемых точек в пространстве решений и в множестве Парето совместно с методикой последовательного сужения множества таких точек.

Рассмотрим паретовскую концепцию применительно к задачам дискретной и комбинированной оптимизации.

Функционирование установки Б(Х) оценивается по критериям качества П, ¡2,...,Гр(П,Г2.....ПЗ).

Задача оптимизации имеет вид:

где Б - область допустимых решений (альтернатив устройств для получения углеродных нанотрубок и фуллеренов) - является конечным и счетным.

(8)

Множество Парето в пространстве переменных (альтернатив вариантов установок) - это множество БП всех эффективных точек.

Множество Парето в критериальном пространстве:

п = Лоп) = У\{х\/2{х),...,1р{х)) е Я\Х е Од}.

Для любого варианта установки, не входящей в множество Парето БП, найдется вариант в множестве Парето, дающего по всем целевым функциям значения не хуже, чем у этого устройства, и хотя бы по одной целевой функции - строго хуже.

Найденное множество Парето позволяет упростить решение задачи оптимизации, так как недоминируемое решение находится в этом множестве.

Для выбора рационального способа получения углеродных нанотрубок, фуллеренов и кластеров будем использовать метод Саати. Описание метода выполним на примере выбора «количества выхода годных углеродных нанотрубок, фуллеренов и кластеров», полученных различными методами. Введем следующие обозначения:

Пусть К? -значение критерия КЯпо1-ому столбцу (1-ой альтернативе).

К* - значение критерия КК по,]-ой строке (¡-ой альтернативе); К"

- парное соотношение критериев К, расположенных в 1-ом столбце и ¡] - ой строке;

о г»

- суммарное построчное значение парных соотношений альтернатив; £I £ | - общая столбцовая сумма значений парных соотношений альтернатив.

«О-1 )

Нормированное значение альтернатив по критерию Я или оценка альтернатив.

(10)

Причем ^а" = 1, для критерия Я, ,1 = 1....У => шах

Применяя к этой таблице описанную выше процедуру, получим веса

критериев:

:

(11)

Таким образом, получаем как веса критериев, так и оценки альтернатив по критериям.

Далее, применяя линейную свертку (взвешенную сумму), получим интегральные оценки альтернатив в виде функции полезности.

В таблице приведены результаты работы оценки выхода годных нанотрубок (НТ), фуллеренов (Ф) и кластеров (К) с помощью разработанной модели.

Ф НТ К

Метод, основанный на термическом распылении графитового электрода в гелии 0,07 0,35 0,24

Лазерное распыление 0,14 0,33 0,20

Электролитический синтез 0,28 0,12 0,26

Метод, основанный на термическом разложении графита 0,51 0,20 0,30

Выбор лучшего технического решения производится на основе оценки полученных вариантов.

Отображение множества вариантов технологических решений процесса производства на множество оценок и выбор оптимального из них:

Так как признаки не равнозначны и измеряются в различных шкалах,

производится их нормализация, а учет их значимости на основе (10).

Каждый вариант технического решения характеризуется некоторыми

параметрами р^ /=1,л.

Тогда учитывается совокупность кгатериев К = {^/ = 1,т. Оптимальное ор/К = шах Та, V,

решение находится в виде н , (12)

феГ

где Оу - множество критериев, связанных с компромиссом; V, - значение 1 - го критерия. ^е V

Процедура анализа принятого решения на этапе разработки технических предложений проводится в целях получения необходимой информации об объекте проектирования. В ходе анализа проверяются работоспособность

объекта, особенности его взаимодействия с факторами окружения, взаимосвязи составляющих подсистем и элементов.

Интегральная величина затрат денежных средств на проектирование ИУ 0(r)=J/>(r)ir, (13)

где Р(х) - суммарные затраты в функции времени; п- время проектирования.

Интегральная величина дохода за период эксплуатации э *(г)=|л(х>/г, (14)

где - суммарный доход в функции времени; прибыль текущая

/(г)=л(г)-р(т); полная прибыль F(r)=J[/7(r)-.P(r)]ir, (15)

На основе предложенных алгоритмов, реализующих модели и физических процессов разработаны элементы автоматизированной системы проектирования процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Информационная система поддержки принятия решений является составной частью системы автоматизации проектирования процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов. Показана экономическая и технологическая целесообразность разработки элементов такой автоматизированной системы.

2. Разработанная модель влияния магнитного поля на формирование в электромагнитной дуге углеродных нанотрубок и фуллеренов является составной частью информационной системы поддержки принятия решений при проектировании процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

3. Предложенная база знаний позволяет разработчикам на основе морфологического анализа-синтеза создавать технические решения устройств, соответствующие критериям патентоспособной новизны, изобретательского уровня и промышленной применимости и обеспечивающие снижение затрат на производство углеродных нанотрубок и фуллеренов.

4. Разработанная информационная система поддержки принятия решений при проектировании устройств для формирования углеродных нанотрубок и фуллеренов обеспечивает рациональный выбор технических решений таких устройств из множества полученных, на основе морфологического анализа-синтеза.

5. На основе предложенных алгоритмов и пакетов прикладных программ разработаны элементы автоматизированной системы проектирования процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов, позволяющие сократить время проектирования оборудования для получения наноструктур.

6. На основе разработанных элементов автоматизированной системы предложены структурные схемы оборудования для производства углеродных нанотрубок с заданными электрическими свойствами в зависимости от угла хиральности и количества слоев в трубке. Аналитическая иерархическая процедура Саати позволяет производить выбор наилучшего объекта проектирования с учетом технических и экономических требований.

7. Основным результатом диссертационной работы можно считать создание информационной системы поддержки принятия решений при разработке процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов, имеющей существенное значение при разработке системы автоматизации проектирования нанотехнологического оборудования. Предложенная информационная система позволяет принимать научно обоснованные, технически целесообразные, экономически и технологически выгодные разработки.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Ивашов Е.Н., Реутова МВ. Углеродные нанотрубки в системах измерения, контроля и качества. - Сборник докладов научно-технической конференции «Датчики и преобразователи систем измерения, контроля и управления».: (Датчик - 2003).: М.- МГИЭМ, 2003.

2. Ивашов Е.Н., Реутова М.В. Технологические устройства для получения наноструктур с использованием углеродных нанотрубок. - Сборник докладов научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника».: М.- МГИЭМ, 2003.

Р19963

3. Ивашов Е.Н., Кузькин В.Н., Реутова М.В. Технологическое устройство для наиоперемещений изделия. Патент РФ на пол. мод. №30041. Опубликована

4. Ивашов Е.Н., Реутова М.В. Пьезопривод для наноперемещен нт РФ на пол. мод. №30034. Опубликована 10.06.03 Б. №16

5. Дульцев А.А., Ивашов Б.Н., Реутова М.В., Степанчиков СВ. Расчет магнитных систем вакуумного технологического оборудования.- свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611934. Зарегистрирована 22.08.03г.

6. Дульцев А.А., Ивашов Е.Н., Реутова М.В., Самухов И.В. Расчет электромагнитных систем вакуумного технологического оборудования.-свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611935. Зарегистрирована 22.08.03г.

7. Ивашов Е.Н., Реутова М.В. Применение метода Саати при структурировании множества альтернатив получения углеродных нанотрубок, фуллеренов и кластеров; МГИЭМ. - М.,2003. 12с: Библиогр.: Рус. - Деп. В ВИНИТИ №2325-В 2003.

8. Ивашов Е.Н., Реутова М.В. Модели полиморфных структурных изменений в углеродных нанотрубках и фуллеренах; МГИЭМ. - М.,2003. 5с: Библиогр.: Рус. - Деп. В ВИНИТИ №2326 -В 2003.

9. Ивашов Е.Н., Реутова М.В. Модель влияния магнитного поля на формирование углеродных нанотрубок и фуллеренов; МГИЭМ. - М.,2003. 6с: Библиогр.: Рус - Деп. В ВИНИТИ №2327 - В 2003.

10. Ивашов Е.Н., Реутова М.В. Моделирование процессов, протекающих при образовании углеродных наноструктур; МГИЭМ. - М.,2003. 6с:Библиогр.:Рус. - Деп. В ВИНИТИ №2324 - В 2003.

П.Ивашов Е.Н., Павлов А.Ю., Пискарев Д.А., Реутова М.В., Степанов М.В. Колебательный контур для наноэлектроники. Патент РФ на пол. мод. №40539. Опубликована 16.03.04 Б. №25 ^

10.06.03 Б. №16

ZOO $-4

Подписано к печати" 10 2004 г. Отпечатано в типографии МИЭМ. Москва, ул. М. Пионерская, 12 Заказ N9 -1&9 . Объем 4\0 п.л. Тираж 400 экз.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Обзорно-аналитические исследования в области производства углеродных нанотрубок и фуллеренов и особенности автоматизированного проектирования.

1.1 Особенности автоматизированного проектирования процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

1.2 Применение наноматериалов и технологий на их основе.

1.3 Определение основных признаков углеродных нанотрубок и фуллеренов.

1.4 Методы получения углеродных нанотрубок и фуллеренов.

1.5 Аналитическая процедура Саати в автоматизированном проектировании.

1.6 Постановка задачи исследования.

2. Теоретический подход к решению задачи создания элементов автоматизированной системы проектирования процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

2.1 Схема процесса автоматизированного проектирования оборудования для производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

2.2 Алгоритмы методики моделирования оборудования для производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

2.3 Математические модели объектов проектирования.

2.4 Имитационное моделирование.

2.5 Иерархическая структура технико-экономического проектирования.

2.6 Выводы по главе 2.

3. Построение физико-математических моделей процессов формирования углеродных нанотрубок и фуллеренов.

3.1 Модели физических процессов, происходящих в установке при формировании углеродных нанотрубок и фуллеренов.

3.2 Модели полиморфных структурных изменений углеродных нанотрубок и фуллеренов.

3.3 Влияние магнитного поля на формирование углеродных нанотрубок и фуллеренов.

3.4 Дуалистический подход к определению основных физических параметров углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Выводы по главе 3.

4. Морфологический анализ в организации поиска технических решений устройств для производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

4.1 Особенности морфологический анализа при поиске технических решений.:.

4.2 Методы поиска технических решений.

4.3 Варианты технических устройств для получения и применения углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Выводы по главе 4.

5. Методика выбора оптимального варианта технологического решения процесса производства углеродных нанотрубок и

5.1 Выбор вариантов процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

5.2 Метод Саати при структурировании множества альтернатив получения углеродных нанотрубок, фуллеренов и кластеров.

5.3 Выбор оптимального варианта технологического решения с учетом себестоимости научно-технической продукции.

Выводы по главе 5.

В процессе развития науки и техники, создаваемые технические системы и устройства становятся все более сложными. Широкое внедрение компьютеризации в условиях научно-технического прогресса обеспечивает рост производительности труда в различных областях производства.

Развитие микроэлектроники, переход на нанотехнологии требует использования различных углеродных соединений. Внедрение таких соединений сдерживается сложностью проектирования процесса производства, отсутствием моделей и способов его оценки на отдельных стадиях разработки. Поэтому актуальна разработка элементов автоматизированных систем проектирования, включающая комплекс методических средств и моделей, а также способов оценки качества проекта в целом.

Одним из наиболее мощных средств для исследования и проектирования технических систем является моделирование. Использование моделирования, начиная с ранних стадий проектирования, и постепенное накопление информации за счет уточнения и детализации модели позволяет говорить о расширяемой адаптивной модели всего цикла проектирования. Соответственно, при анализе различных свойств объекта проектирования (ОП) модельное представление должно формироваться наиболее подходящим для этой цели образом, независимо от конкретного процесса или этапа проектирования, и сохранять все требуемые свойства проектируемого объекта.

Современные технологии замедляются не столько отсутствием научных достижений и инженерных идей, сколько сроками и не всегда удовлетворительным качеством их реализации при конструкторско-технологической разработке. Одним из направлений решения этой проблемы является создание и развитие автоматизированных систем проектирования различных нанотехнологических процессов, в том числе процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Создание автоматизированной системы проектирования оборудования для производства углеродных нанотрубок и фуллеренов невозможно без создания информационной системы поддержки принятия решений на каждом этапе проекта.

Поэтому разработка элементов автоматизированной системы проектирования процесса производства углеродных нанотрубок и материалов является задачей актуальной и своевременной.

Цель работы: Целью диссертационной работы является разработка информационной системы поддержки принятия решений, при проектировании оборудования для производства углеродных нанотрубок и фуллеренов. Это позволит развить и усовершенствовать методы получения углеродных наноматериалов в промышленных количествах, с целью последующего их использования, сократить время процесса проектирования, выбрать наилуЧШйе варианты среди спроектированных* рассчитать эЛёЩЭоШ1Ш1:йШ й МйРййТНШ системы оборудования, § йсйояш&анйём рашшиш pfpteSj шшйшщ на управляемые параметры, процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Задачи исследований. Для реализации поставленной цели выполнен следующий комплекс исследований: '

L Проведены аналитические исследования в областях производства углеродных наноструктур и средств автоматизированного проектирования.

2. Рассмотрен теоретический подход решения задачи создания элементов автоматизированной системы проектирования процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

3. Разработаны математические модели формирования углеродных нанотрубок и фуллеренов.

4. На основе морфологического анализа-синтеза созданы технические решения устройств, для формирования углеродных нанотрубок и фуллеренов.

5. Созданы алгоритмы и пакеты прикладных программ, которые войдут в основу разрабатываемой информационной системы поддержки принятия решений при проектировании процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Методы исследования.

В качестве методов исследования в работе используются положения теории систем, теории множеств, теории принятия решения, имитационная модель, морфологический анализ-синтез уже известных методов получения углеродных нанотрубок и фуллеренов и, на основе изученного, предложены новые варианты решения этой задачи с внесением дополнительных устройств.

Научная новизна обусловлена:

1. Созданием информационной системы поддержки принятия решений при проектировании процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

2. Предложенными моделями полиморфных структурных изменений В углеродных нанртрубках и фуллеренах;

3. Моделью штат мамтнога ваяя м фармяршние ушроднш нанотрубок И фуЯйёренОВ.

4. Физической моделью процессов, протекающих при образовании углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Практическая значимость. L Предложено автоматизированное рабочее место (АРМ) для разработчика процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов. Z Разработаны технологические устройства для получения углеродных нанотрубок и . фуллеренов, а также технологическое устройство с использованием углеродных нанотрубок.

3. Созданы программные продукты по расчету магнитных и электромагнитных систем оборудования для производства углеродных нанотрубок и фуллеренов (Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ №2003611934 и №2003611935).

Достоверность результатов. Достоверность проведенных теоретических исследований обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых подходов и методов, а также сравнением с теоретическими данными, известными в литературе и полученными автором.

Реализация и внедрение результатов работы.

Теоретические и практические результаты используются в учебном процессе МИЭМ и практике системного конструирования для производства материалов и приборов электронной техники в НИИ микроэлектроники и информационно - измерительной техники, НИИ перспективных материалов и технологий, НИИ систем управления, волновых процессов и технологий. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математические модели формирования углеродных нанотрубок и фуллеренов.

2. Результаты теоретических исследований физических процессор происходящих при образований углеродных нанотрубок й фулЛёрбШй.

3. МорфешеГйчббКйЙ айалиЗчшнт 8 ©РШЙЩЙЙ й@йШ т§М*Шё§МйМ решений ётруктурйш mm ygtpeteSj да ©брзбвайия ушрдйньй йшедрш и фуллеренов.

4. Применение метода Саати в задаче принятия решения при практической реализации элементов автоматизированного проектирования процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

5. Создание информационной системы поддержки принятия решений при проектировании процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника»; на научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и качества», а также на конференциях МГИЭМ для молодых ученых и специалистов в 2002, 2003, 2004гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе получено 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ, сделано 2 доклада на Всероссийских конференциях, написано 4 депонированных статьи, получено 3 патента РФ на полезные модели.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, заключения, списка литературы и приложения.

Выводы по главе 5

1. Рассмотрен выбор вариантов процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

2. Произведен выбор наилучшего объекта проектирования с учетом технических и экономических требований с помощью метода Саати.

3. Рассмотрен выбор оптимального варианта технологического решения с учетом себестоимости научно-технической продукции.

Заключение.

1. Информационная система поддержки принятия решений является составной частью системы автоматизации проектирования процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов. Показана экономическая и технологическая целесообразность разработки элементов такой автоматизированной системы.

2. Разработанная модель влияния магнитного поля на формирование в электромагнитной дуге углеродных нанотрубок и фуллеренов является составной частью информационной системы поддержки принятия решений при проектировании процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов.

3. Предложенная база знаний позволяет разработчикам на основе морфологического анализа-синтеза создавать технические решения устройств, соответствующие критериям патентоспособной новизны, изобретательского уровня и промышленной применимости и обеспечивающие снижение затрат на производство углеродных нанотрубок и фуллеренов.

4. Разработанная информационная система поддержки принятия решений при проектировании устройств для формирования углеродных нанотрубок и фуллеренов обеспечивает рациональный выбор технических решений таких устройств из множества полученных, на основе морфологического анализа-синтеза.

5. На основе предложенных алгоритмов и пакетов прикладных программ разработаны элементы автоматизированной системы проектирования процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов, позволяющие сократить время проектирования оборудования для получения наноструктур.

6. На основе разработанных элементов автоматизированной системы предложены структурные схемы оборудования для производства углеродных нанотрубок с заданными электрическими свойствами в зависимости от угла хиральности и количества слоев в трубке. Аналитическая иерархическая процедура Саати позволяет производить выбор наилучшего объекта проектирования с учетом технических и экономических требований.

7. Основным результатом диссертационной работы можно считать создание информационной системы поддержки принятия решений при разработке процесса производства углеродных нанотрубок и фуллеренов, имеющей существенное значение при разработке системы автоматизации проектирования нанотехнологического оборудования. Предложенная информационная система позволяет принимать научно обоснованные, технически целесообразные, экономически и технологически выгодные разработки.

1. http,7/elmech.mpei.ac.ru/honies/Petrichenko/bac2.htnil

2. Борисеико В.Е. Наиоэлектроника основа информационных систем XXI века.

3. Чумаченко Б., Лавров К. Нанотехнологии ключевой приоритет обозримого будущего.

4. Рыбалко В.В. Наноразмерные углеродсодержащие материалы. -М.:МГИЭМ. 2003г. 50с. ил.

5. Нанотехнологические процессы и установки. Лускинович П.Н. и др.// сб. докладов. Математическое моделирование нанотехнологических процессов и наноструктур. Труды научных семинаров. -М.:ММФК 2001. -116с.

6. Романшина Д. Нанотрубки: венец полупроводниковой технологии.

7. Раков Э.Г. Удивительные нанотрубки: свойства.

8. Чудеса нанотехники. Часть первая: наноначало, membrana (http://www.membrana.rU/articles/simply/2002/01/29/163800.html)

9. Журавлева Л.Н., Епифанов В.ГТ. Пинцет для сканирующего зондового микроскопа

10. Нанотехнологии и вычислительная математика. Г.Г. Еленин // сб. докладов. Математическое моделирование нанотехнологических процессов и наноструктур. Труды научных семинаров. М.:МИФИ. 2001. -116с.

11. ТМордкович В.З. Соломинки для микробов.

12. Неволин В.К. Электронные устройства с элементами нанометровых размеров.// Электронная промышленность, 10,20.

13. Углеродные нанотрубки. Золотухин И.В., 1999, ФИЗИКА

14. Дьячков. Углеродные нанотрубки.

15. Посецельский А. А., Крашенинников А.П. Скоростные нанотрубки.

16. Ученые Bell Labs открыли эру наноэлектроники. mirjucent ru №9 -2001.

17. NewScietist Игра в бакибол. Ломоносов №5 2003г.

18. Большое количество ультрадисперсного порошка с различными фуллеренами. fullerenyproryv.htm

19. Елецкий А.В. «Экзотические» объекты атомной физики, 1999, ФИЗИКА.

20. Соколов В. И., Станкевич И. В. Фуллерены новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства//Успехи химии, т.62 (5), с.455, 1993.

21. Фуллерены и фуллереноподобные структуры— основа перспективных материалов. М. Э. Шпилевский, Э. М. Шпилевский, В. Ф. Стельмах.

22. Новый лазерно-порошковый метод синтеза одностенных углеродных нанотрубок. Углов С.А., Большаков А.П., Савельев А.В., Конов В.И., Горбунов А.А., Помпе В., Граф А.

23. Саати Т. принятие решений. Метод анализа иерархий. М.: Радиосвязь, 1993г.

24. Тумковский С.Р. РТУиС, МГИЭМ. Курс лекций «"Автоматизированное проектирование РЭС"»

25. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР: Учеб, Для втузов. М.: Высш. щк., 1930.- 335с.; ил.

26. Ивашов Е.Н., Реутова М.В, Модель влияния магнитного поля на формирование углеродных нанотрубок и фуллеренов. Деп. рукопись ВИНИТИ № 2327 В. 2003: 31.12.2003. 6с., илл.

27. Ивашов Е.Н., Реутова М.В. Технологические устройства для получения наноструктур с использованием углеродных нанотрубок. Сборник докладов научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника».-М. :МГИЭМ, 2003, Судак - 03.

28. Ивашов Е.Н., Кузькин В.Н., Реутова М.В. Технологическое устройство для наноперемещений изделия. Патент РФ на пол. мод. №30041 Опуб. 10.06.03 Б.И .№16

29. Пьезопривод для наноперемещений. Патент РФ на пол. мод. №30034 Опуб. 10.06.03 Б.И .№16.

30. ЗО.Ивашов Е.Н., Реутова М.В.Технологические устройства для получения наноструктур с использованием углеродных нанотрубок.

31. Алексеев О.В., Головков А.А., Пивоваров И.Ю. и др. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств,- М.: Высш. шк. 2000г.- 479 е., шт.

32. Быков В.П. Методическое обеспечение САПР в машиностроении. Ленингр. Отделение, 1989г.-255с.

33. Корячко В.П. и др. Теоретические основы САПР: Учебник для вузов/ В.П. Корячко, В.М. Курейчик, и.П. Норенков. М.: Энергоатомиздат, 1987. -400 е.: ил.

34. Зародов А.Ф. Представление иерархии моделей при проектировании Систем. //Аэрокосмические технологии, сб. трудов, МГТУ, 2003, с. 125

35. Солодовников И.В., Зародов А.Ф. Использование методов имитационного моделирования в исследовании экологических систем. Тр. Сем. «Новые информационные технологии». JVT-: МИЭМ, 2001, с. 21-27.

36. Киндлер Е. Языки моделирования. ~ М.: Энергоатомиздат, 1985, 288 с.

37. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. -М.: Мир, 1973, 344 с.

38. Минский М. Фреймы для представления знаний. М.: Энергия, 1979, 151 с.

39. Антамонгкин А.Н. и др. Системный анализ: Проектирование, оптимизация и приложения: Учебное пособие. В 2-х томах. Том 2,-Красноярск: Сибирская аэрокосмическая академия, 1996. 290 с.

40. Фоминых В.П. Оборудование и технология дуговой сварки. Учебн. пособие для профес.- ехн. Училищ. М., «Машиностроение», 1966г.- 312с., ил.

41. Элементарный учебник физики. Под редакцией Г. С. Ландсберга. Том 2. Электричество и магнетизм. М., 1973г. 528 стр., с ил л.

42. Трофимова Т.И. Учеб. пособие для вузов. 7-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2002.-542 е.: ил.

43. Ивашов Е.Н., Реутова М.В. Углеродные нанотрубки в системахизмерения, контроля и качества. Сборник докладов научно-технической146конференции «Датчики и преобразователи систем измерения, контроля и управления».-03.-М.: МГИЭМ, 2003, Судак -03.

44. Фролов В.В. и др. Теоретические основы сварки. М.: Высшая школа, 1970.-592с., ил.

45. Трофимова Т.И. Физика в таблицах и формулах: Учебн. Пособие для студентов вузов. 2-е изд., испр. - М.: Дрофа, 2004. - 432 е.: ил.

46. Ивашов Е.Н., Реутова М.В. Модели полиморфных структурных изменений в углеродных пал отрубках и фуллеренах. Деп. рукопись ВИНИТИ № 2326 В. 2003: 31.12.2003. 5с., илл.

47. Ивашов Е.Н., Реутова М.В. Моделирование процессов, протекающих при образовании углеродных наноструктур. Деп. рукопись ВИНИТИ № 2324 В. 2003: 31.12.2003.-6с., илл.

48. Мейер К. Физико-химическая кристаллография. Перев. с нем. М., «Металлургия», 1972г., с.480.

49. Гешензон Е.М. Молекулярная физика: Учеб. Пособие для студ. Высш. пед. учеб. заведений/ Е.М. Гершензон, Н.Н. Малов, Л.Н. Мансуров. М,: Издательский центр «Академия», 2000. - 272 е., илл.

50. Фоминых В.П. Яковлев А.П. Электросварка. Учебн. пособие для профес,-техн. Училищ. М., «Высшая школа», 1970г.- 304с., ил.

51. Постоянные магниты: Справочник. Под редакцией Ю.М. Пятина. М., «Энергия», 1971. 376 е., с илл.

52. Савостьянов В.П., Филатова Г. А., Филатов В.В. Расчет и конструирование деталей аппаратуры САУ: Учеб. для техникумов. М : Машиностроение, 1982,- 328с.,ил.

53. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи.- М.: Радио и связь, 2000. 468с., ил.Иванов И.П. Углеродные нанотрубки: их свойства и применение.

54. Слепцов В.В. Фундаментальные научные и технические вопросы.

55. Ивашов Е.Н., Кузькин В.Н., Реутова М.В. Технологическое устройство для наноперемещений изделия. Патент РФ на пол. мод. №30041 Опуб. 10.06.03 Б.И .№16

56. Ивашов Е.Н., Реутова М.В. Технологические устройства для получения наноструктур с использованием углеродных нанотрубок. Сборник докладов научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника».-М.МГИЭМ, 2003, Судак-03.

57. Ивашов Е.Н., Павлов А.Ю., Пискарев Д.А., Реутова М.В., Степанов М.В. Колебательный контур для наноэлектроники. Патент РФ на пол. мод. №40539. Опубликована 16.03.04 Б. №25

58. Петренко А.И., Семенков О.И. основы построения систем автоматизированного проектирования. 2-е изд., стер. - К.:Вища шк. Головное издательство, 1985г. - 294с.

59. Семенкин Е.Н., Семенкина О.Э., Терсков В.А. Методы оптимизации в управлении сложными системами: Учебное пособие. Красноярск: сибирский юридический институт МВД России, 2000г. - 254с.

60. Иващов Е.Н., Реутова М.В. Применение метода Саати при структурировании множества альтернатив получения углеродных нанотрубок, фуллеренов и кластеров. Деп. рукопись ВИНИТИ № 2325 В. 2003: 31.i2.2003.- 12с., илл.

61. Смирнов С.А. Оценка интеллектуальной собственности: М.: Финансы и статистика, 2002г.- 352с.: ил.Неволин В.К. Физические основы туннельно-зондовой нанотехнологии. Уч. Пособие. М. 2000г.

62. Ивашов Е.Н., Степанчиков С.В., Реутова М.В., Дульцев А.А. Расчет магнитных систем вакуумного технологического оборудования. -Свидетельство об офиц. регистр. прогр. для ЭВМ №2003611934. Зарегистр. в Реестре 22.08.03.

63. Патентообладатель(ли): Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электроники и математики (технический университет) (RU)1. Автор(ы). см. на обороте1. Заявка №2004107377

64. Приоритет полезной модели 16 марта 2004 г. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 сентября 2004 г.

65. Срок действия патента истекает 16 марта 2009 г.

66. Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам1. Б.П. СимоновШ