автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математические модели и алгоритмы для автоматизированного проектирования передних панелей устройств управления и телекоммуникаций

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПП ЭС.

1.1. Системы регулирования и обеспечения безопасности движения

1.1.1. Технические средства обеспечения безопасности движения поездов.

1.2. Методы конструирования ПП ЭС.

1.2.1. Этапы компоновки ПП.

1.2.2. Методы компоновки ПП.

1.2.3. Системы автоматизированного проектирования ПП.

1.3. Формализация процесса функционирования человекомашинных систем.

1.3.1. Общие положения.^.

1.2.2. Методы моделирования.

1.4. Оптимизация процесса функционирования человеко-машинных систем.

1.4.1. Обзор классификаций задач и методов оптимизации.

1.4.2. Методы оценки качества компоновки ПП ЭС.

1.5. Постановка цели и задач исследований.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ "ОПЕРАТОР-ЭС" И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ КОМПОНОВКИ ПП ЭС.

1 2.1. Многоуровневая система интервального регулирования и обеспечения безопасности.

I 2.2. Разработка модели процесса функционирования системы оператор-ЭС".

2.2.1. Разработка модели функционирования ЭС.

2.2.2. Разработка модели функционирования оператора.

2.2.3. Разработка модели функционирования системы "оператор -ППЭС".

2.2.4. Разработка методики описания процесса взаимодействия оператора с ПП ЭС.

2.3. Оценка качества компоновки ПП ЭС.

2.3.1. Определение критерия оценки качества компоновочного решения.

2.3.2. Алгоритм оценки степени неупорядоченности.

2.4. Полученные результаты и выводы.

ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОПЕРАТОРА С ЭС ПУТЕМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

3.1. Методика исследований и обработки результатов.

3.2. Программно-аппаратный комплекс эксперимента.

3.3. Результаты экспериментальных исследований.

3.4. Полученные результаты и выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПП ЭС.

4.1. Разработка алгоритма определения оптимального варианта компоновки.

4.1.1. Разработка алгоритма выделения маршрутов обслуживания оператором ЭС.

4.1.2. Разработка алгоритма генерации компоновочных решений.

4.1.3. Разработка алгоритма поиска компоновочных решений, удовлетворяющих критерию оптимизации.

4.2. Разработка системы автоматизированного проектирования ПП

4.2.1. Структурная схема системы автоматизированного проектирования.

4.2.2. Методика проектирования ПП с помощью разработанной системы автоматизированного проектирования.

4.3. Разработка ПП КЛУБ.

4.4. Разработка ПП радиостанции.

4.5. Полученные результаты и выводы.

Актуальность темы. Возрастающий уровень сложности различных радиотехнических устройств неразрывно связан с ужесточением требований, предъявляемых к системе "оператор-ЭС". Повышение надежности работы системы "оператор-ЭС" становится главной задачей. Одним из методов достижения определенного уровня надежности системы является уравновешивание нагрузки (способности обработки информации и принятия решения), возлагаемой на каждую из подсистем, с возможностью подсистемы. Основную роль в системах "оператор-ЭС" систем управления и устройств телекоммуникаций играет элемент связи, без которого существование системы невозможно. Элементом связи, посредством которого оператор узнает о состоянии электронных систем (ЭС), а ЭС получает команды, является передняя панель (1111) ЭС. Таким образом, надежность системы "оператор-ЭС" в значительной мере определяется оптимальностью конструкций ПЛ. Оптимальность конструкции ПП может оцениваться минимальным временем регулирования или минимальным числом ошибок. Основным недостатком существующего подхода к проектированию 1111 является нехватка информации о методах поиска наилучших компоновочных решений, оценки качества ПП на ранних стадиях проектирования. Размещение компонентов на ПП производится только с учетом общих рекомендаций и опыта проектировщика, при этом разрабатывается лишь несколько вариантов конструкции и из них, путем проведения натурного моделирования или экспертным методом определяется наиболее приемлемый. В случае усложнения проектных заданий количество конкурентно способных вариантов реализации резко возрастает и задача определения наиболее эффективного из них становиться наиболее острой проблемой проектировщика. В такой ситуации параллельное проектирование нескольких прототипов устройства с целью отбора наилучшего варианта по результатам комплексных испытаний конкурирующих образцов становиться экономически невыгодным, так как требует больших затрат времени и средств.

В связи с этим разработка математических моделей, алгоритмов и программно-методического комплекса (ПМК) для проектирования ПП является перспективной. Одно из основных достоинств, которые открывает ПМК, заключается не только в автоматизации процесса проектирования, но и в создании системы "оператор-ЭС" с наперед заданными характеристиками системы.

Объектом исследования являются: 1111 (компоновочные решения, количество компонентов, размеры, компоненты индикации, управления и регулирования) системы управления безопасности железнодорожного движения, устройств телекоммуникаций, предназначенные для ввода, отображения и регистрации оперативной информации о параметрах движения локомотива и заданных параметрах движения на участке железной дороги, быстродействие системы "оператор-ЭС" процесса взаимодействия оператора с 1111, маршруты обслуживания оператором 1111ЭС.

Предметом исследования является: модели функционирования ЭС, оператора, взаимодействия оператора с 1111 ЭС, методы описания процесса функционирования системы "оператор-ЭС" с использованием графов, компоновки 1111 ЭС, алгоритмы анализа моделей функционирования систем "оператор-ЭС" на предмет выделения маршрутов обслуживания, генерации компоновочных решений, оценки компоновочных решений по временному критерию, поиска компоновочных решений удовлетворяющих критерию оптимизации, программно-аппаратные средства системы автоматизированного проектирования 1111 ЭС, экспериментальные исследования зависимости среднего времени поиска компонента на ПП от количества размещенных компонентов и показателя характери- 1 зующего компоновочное решение.

Цель работы - разработка и научное обоснование технических, программных, алгоритмических, методических решений, направленных на решение проблемы проектирования управляющих систем "оператор-ЭС" с заданной надежностью и (или) быстродействием путем решения задачи автоматизированного синтеза конструкции ПП на основе результатов имитационного моделирования взаимодействия оператора с ЭС, внедрение которых имеет существенное значение в обеспечении согласованности частей системы "оператор - ЭС", и как следствие, увеличении надежности данной системы, а также снижении сроков разработки 1111ЭС.

Для достижения указанной цели требуется решить следующие задачи:

- провести анализ существующих систем регулирования и обеспечения безопасности движения, методов конструирования ПП ЭС, положения по формализации процесса функционирования ЧМС;

- разработать методику описания процесса взаимодействия оператора с ПП, позволяющую создавать модель процесса функционирования системы "оператор - ЭС";

- определить критерии оценки компоновочных решений, одновременно характеризующих также и работу системы "оператор-ЭС";

- исследовать зависимость среднего времени выполнения операции оператором от количества компонентов и компоновочного решения при работе с ЭС по определенному алгоритму, на основании проведенных исследований создать модель зависимости среднего времени;

- разработать алгоритмы анализа моделей функционирования системы "оператор-ЭС" на предмет выделения маршрутов обслуживания оператором 1111 ЭС, генерации компоновочных решений с учетом возможных ограничений на поля размещения, оценки компоновочных решений по временному критерию, определения оптимального варианта компоновки, методики проектирования 1111 ЭС;

- создать программно-методический комплекс, который позволяет проводить автоматизированное проектирование 1111 ЭС, в т.ч.: описывать и анализировать на предмет выявления всех возможных алгоритмов обслуживания граф взаимодействия оператора с ЭС, проводить автоматическое размещение компонентов на 1111 с учетом заданных ограничений на области размещения и установленным допуском на среднее время поиска компонента на 1111 по определенному алгоритму обслуживания;

Методы исследования. В работе применялись экспериментальные и теоретические исследования. При разработке алгоритмов и программно-аппаратного комплекса для получения временных характеристик взаимодействия оператора с ЭС, для анализа вариантов компоновочных решений использовались теоретические основы радиоэлектроники, основы вычислительной техники, информатики, имитационного моделирования.

Теоретические исследования базируются на теории множеств, математической логики, теории графов, комбинаторике.

Экспериментальные исследования осуществлялись на основе методов планирования эксперимента и статистических методов обработки экспериментальных данных.

Достоверность изложенных положений работы подтверждается результатами эксплуатации комплексных локомотивных устройств безопасности, коротковолновых радиостанций, практическим использованием программно-аппаратного комплекса, опубликованными научными трудами и апробациями созданного научно-технического продукта на научных конференциях и симпозиумах. Достоверность и обоснованность полученных в работе научно-технических результатов и выводов подтверждена сопоставительным анализом разработанных и существующих математических моделей и методов.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечена использованием современных средств, большим объемом экспериментального материала, статистическими методами обработки данных и хорошей воспроизводимостью результатов.

На защиту выносятся результаты исследований по разработке технических, программных, методических решений, направленных на решение проблемы проектирования управляющих систем "оператор-ЭС" с заданной надежностью и (или) быстродействием путем решения задачи автоматизированного синтеза конструкции ПП на основе результатов имитационного моделирования взаимодействия оператора с ЭС, внедрение которых имеет существенное значение в обеспечении согласованности частей системы "оператор - ЭС", а также увеличении надежности данной системы и снижения сроков разработки 1111 ЭС, в том числе:

- теоретические исследования существующих систем регулирования и обеспечения безопасности движения, методов конструирования ПП ЭС, положения по формализации процесса функционирования ЧМС;

- математические модели функционирования оператора, ЭС, процесса взаимодействия оператора с ПП ЭС;

- алгоритмы выделения маршрутов обслуживания оператором ПП ЭС на основе анализа моделей функционирования системы "оператор-ЭС";

- экспериментальные исследования зависимости среднего времени выполнения операции оператором от количества компонентов и компоновочного решения при работе с ЭС по определенному алгоритму;

- алгоритм генерации компоновочных решений с учетом возможных ограничений на поля размещения, взаимосвязь (зависимости) размещения;

- алгоритмы оценки компоновочных решений по временному критерию, определения оптимального варианта компоновки;

- программно-методический комплекс, проводящий автоматизированное проектирование ПП ЭС, в т.ч.: создание и анализ на предмет выявления всех возможных алгоритмов обслуживания графа взаимодействия оператора с 1111 ЭС, проведение автоматического размещения компонентов на 1111 с учетом заданных ограничений на области размещения и установленным допуском на среднее время поиска компонента на 1111 по определенному алгоритму обслуживания.

Научная новизна полученных результатов определяется проведенными комплексными исследованиями, в результате которых разработаны модели и методы анализа и описания процесса взаимодействия оператора с 1111 ЭС, учитывающих влияние таких факторов как компоновочное решение и количество компонентов, а также создан программно-методический комплекс для автоматизированного проектирования 1111 ЭС, что вносит существенный вклад в решение проблемы проектирования управляющих систем "оператор-ЭС", в ходе которых:

- определена адекватная модель среднего времени выполнения операции оператором от количества компонентов и компоновочного решения при работе с ЭС по заданному маршруту обслуживания;

- созданы модели функционирования оператора, ЭС, процесса взаимодействия оператора с ПП ЭС, отличающиеся большей функциональностью и простотой;

- разработаны алгоритмы выделения маршрутов обслуживания оператором ПП ЭС на основе анализа моделей функционирования системы "оператор-ЭС", генерации компоновочных решений с учетом возможных ограничений на поля размещения и взаимосвязи (зависимости) размещения, оценки компоновочных решений по временному критерию;

- разработан критерий определения оптимального варианта компоновки;

- предложена методика проектирования 1111 ЭС с помощью программно-методического комплекса, проводящего автоматизированное проектирование 1111 ЭС, в т.ч.: создание и анализ на предмет выявления всех возможных алгоритмов обслуживания графа взаимодействия оператора с 1111 ЭС, проведение автоматического размещения компонентов на 1111 с учетом заданных ограничений на области размещения и установленным допуском на среднее время поиска компонента на ПП по определенному алгоритму обслуживания.

Практическая ценность. Разработка моделей оператора, ЭС, процесса взаимодействия оператора с ППЭС, алгоритмов генерации компоновочных решений с учетом заданных ограничений на размещение компонентов, анализа моделей, определения степени отклонения маршрута обслуживания от рационального, поиска компоновочных решений удовлетворяющих критерию оптимизации позволили создать программно-методический комплекс проектирования 1111, который решает проблему оптимизации процесса взаимодействия оператора с 1111 ЭС на ранних стадиях проектирования, не требующего проведения натурного моделирования, что приводит к снижению материальных и временных затрат.

Проведенные экспериментальные исследования позволили определить зависимость между средним временем поиска компонента на ПП от таких факторов как количество компонентов и компоновочного решения, их совместного влияния, а также установить характер зависимости указанного времени от количества проведения цикличного обслуживания (обучения оператора).

Реализация работы в производственных условиях. Полученные в работе результаты использованы при разработке комплексного локомотивного устройства безопасности на ДООО ПСЖА "Локомотив". Результаты моделирования использованы в опытно-конструкторских работах "Маковка 1" при проектировании пульта управления радиостанции КВ-диапазона на ОАО "Сарапульский радиозавод".

Результаты работы могут быть использованы в практике работы различных организаций, занимающихся проектированием технических систем с участием человека.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на II международной конференции "Информационные технологии в инновационных проектах" (Ижевск, 2000г.); электронной заочной конференции "Молодые ученые - первые шаги третьего тысячелетия" (Ижевск, 2000г.); научно-технической конференции "Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства" (Ижевск, 2001г.); III международной научно-технической конференции "Информационные технологии в инновационных проектах (Ижевск, 2001г.); II международном симпозиуме "Аэрокосмические приборные технологии" Санкт-Петербург, 2002г.); электронной заочной конференции с международным участием "Молодежь, студенчество и наука XXI века" (Ижевск, 2002); IV международной научно-технической конференции "Информационные технологии в инновационных проектах (Ижевск, 2001г.).

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 11 научных работах, в том числе: 1 статья в научно-техническом журнале, 1 работа в материалах международного симпозиума, 6 в материалах международных научно-технических конференциях, 1 в материалах научно-технической конференции; 2 в материалах электронных заочных конференциях с международным участием.

Структура и объем диссертации Работа изложена на 160 страницах основного текста, иллюстрируется 40 рисунками, 25 таблицами и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 112 наименований и приложени-ий, в которых представлены акты об использовании результатов работы.

Результаты исследования для 15-го варианта (степень неупорядоченности - 0,8, количество компонентов - 45), представленного на рисунке (Рис. 24) приведены в таблице (Таблица 14), остальные представлены в Приложении 2. На Рис. 25 представлена зависимость среднего времени поиска от количества последовательно проведенных опытов всех испытуемых операторов для ГШ, содержащей 25 компонентов со степенью неупорядоченности 0,5. Данные экспериментальных исследований для различных испытуемых при фиксированных значениях параметров (к=25 и 8=0,5) взяты из таблицы (Таблица 33, приложение 2).

Результат работы программы Неонил Рар::аит 15

И и '4 | ►

4>айлОЛТСХТ\ИжГТЫ^($\0»«М\Лроф»мыМ\е05035.ргоПфыг Файл D:\TEXTУИжГТУУР15\Разе||У1рограммьА1\е|05 О^ рт открыт

Ф».лОМЕХТ,чИ»Г1У\0131Л««Л'Л(1С«р»-м-М,л1Г) Овдчлкрыг Файл D:\TEXT \ИжЛУ\015\0|«е1(\Г1рогр»»»Л1\^25 02юотксыг

Рис. 24

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: "Наука" 1976.

2. Адрианова В.Е. Деятельность человека в системах управления (очерк работы авиадиспетчера). JL: Изд-во Ленингр. ун-та, 1974 135с.

3. Алгоритмическое обеспечение исследований динамики психофизиологических состояний Труды ВНИИТЭ. Эргономика №15. Редакционная коллегия: В.П. Зинченко (отв. редактор), А.Н. Леонтьев, В.М. Мунипов, В.Д. Труш, П.Н. Дубнер (Москва, ВНИИТЭ 1978)

4. Александров В.Н., Ачин В.А. Оптимизация условий труда (эргономические требования к рабочему месту) Л.: ЛДНТП, 1977 26с.

5. Анкудинов Г. И. Синтез структуры сложных объектов. Логико-комбинаторный подход. Л.: ГЛУ, 1986. 258 с.

6. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента: Учеб. пособие для втузов. М.: Радио и связь, 1983 - 248 е.

7. Аттестация и рационализация рабочих мест Ю.Н. Барышников, В.Ф. Березкин, Ю.Я. Евлюхин (Москва, Экономика 1987)

8. Ахьюджа X. Сетевые методы управления в проектировании и производстве. М.: Мир," 1979.161 с.

9. Балабанов В.Г. Актуальные проблемы повышения производительности труда операторов АСУ и ВЦ. Л.: ЛДНТП, 1981. - 20с.

10. Варламов Р.Г. Компоновка радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов. радио, 1975.-352с.

11. Введение в психологию труда Е.И. Гарбер (Издательство саратовского университета 1978)

12. Введение в эргономику Г.М. Зараковский, Б.А. Королев, В.И. Медведев, П.Я. Шлаен. Под редакцией В.П. Зинченко. (Москва, Советское радио 1974)13.