автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Методы оперативного инженерного анализа структурных, схемных и конструктивных решений РТС с использованием эконометрического моделирования

А1/- «Г/-1, -

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А. Н. ТУПОЛЕВА

На правах рукописи

ДОРОНИН (ПЕТРОВ) Андрей Николаевич

МЕТОДЫ ОПЕРАТИВНОГО ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА СТРУКТУРНЫХ, СХЕМНЫХ И КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ РТС НА ОСНОВЕ ЭКОНОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

«Радиотехнические и телевизионные системы и устройства» (05.12.17)

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат техн. наук, доцент Лавренов О.П.

Казань -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание................................................................................................2

Перечень сокращений, условных обозначений и терминов....................4

Введение.................................................................................6

I Глава. Методы и принципы проектирования РТС с использованием

оценки качества проектных решений........................................15

§1.1. Анализ принципов проектирования РТС..........................16

§ 1.2. Дискретизация этапов анализа проектных решений РТС 23 §1.3. Выбор систем показателей качества для этапов проектно-конструкторских работ и метода определения

их значений................................................................................27

§1.4. Постановка задач анализа и выбора вариантов

проектных решений РТС........................................................32

Выводы........................................................................................34

II Глава. Исследование проектных решений конструкций РТС

методом анализа иерархий............................35

§ 2.1. Разработка обобщенного показателя............................36

§ 2.2. Стратегии построения параметро-показательных

иерархий......................................................................................43

§ 2.3. Формирование решающих правил оценки приоритетов. 51

§ 2.4. Согласованность и устойчивость оценок............55

Выводы........................................................................................58

III Глава. Автоматизация анализа проектных решений РТС........59

§ 3.1. Алгоритм и методика автоматизированного анализа

проектных решений РТС............................. 60

§ 3.2. .Принципы автоматизации задач анализа проектных

решений........................................... 64

§ 3.3. Оценка временных затрат на автоматизированную

разработку проектной документации...................69

Выводы............................................74

IV Глава. Анализ и формирование обобщенных показателей качества

некоторых видов проектных решений РТС...............75

§ 4.1. Структурные решения компоновок телекоммуникационных РТС.......................................76

§ 4.2. Схемные решения электронных блоков.............81

§ 4.3. Конструктивные решения функциональных узлов на

однослойных печатных платах нетрадиционной формы.....89

§ 4.4. Конструктивные решения корпусов радиоустройств. . . 102 § 4.5. Обсуждение результатов и основные особенности поведения приоритетов вариантов конструкций на множестве возможных стратегий............................112

Выводы............................................124

Заключение.................................................125

Приложение. Документы, подтверждающие внедрение результатов

диссертационной работы..................................... 128

Библиография...............................................133

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

РТС - радиотехнические системы; РЭС - радиоэлектронные средства; КД - конструкторская документация;

ПР - проектное решение (структурное, схемное или конструктивное); А1 - вариант объекта, альтернатива; Сл - стоимость реализации ПР;

- уровень качества ]-ой альтернативы; - вариант ьго проектного решения; Р(С>Г) - уровень качества проектного решения; ПК или Р1 - обозначение ьго показателя качества; р1 - значение ьго ПК;

ОПК или Р(Ал) - обобщенный показатель качества А1 - варианта; ВК или VI - весовой коэффициент; Т - время, длительность проектирования; Wij - приоритеты;

Ь - уровень согласованности экспертных оценок;

ЩИ) - индекс риска (уровень недостоверности значения Р1);

ЭПС - электрическая принципиальная схема;

ОПП - однослойная печатная плата;

ППИ - параметро-показательная иерархия;

САПР - система автоматизированного проектирования.

Система (техническая) - изделие, представляющее собой единство закономерно расположенных и находящихся во взаимной связи частей. Структура - строение, внутреннее устройство частей целого. Проектное решение - промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.

Параметр проектного решения - признак проектного решения, количественно характеризующий какие-либо его свойства или состояния.

Показатель качества проектного решения - количественная характеристика одного или нескольких свойств ПР, составляющих ее качество, рассматриваемая применительно к определенным условиям его разработки или реализации.

Коэффициент весомости показателя качества - количественная характеристика значимости рассматриваемого ПК среди всей совокупности, учитываемых показателей качества.

ВВЕДЕНИЕ

Создание и проектирование радиотехнических систем и устройств отличается многообразием проблем, их сложностью, наукоемкостью и длительностью реализации во времени. В процессе проектирования принимают участие большие коллективы специалистов. Успех разработок изделий радиотехники, во многом, зависит от организации процесса их проектирования. В настоящее время, в сфере разработки и производства конкурентоспособной радиопродукции наблюдается кризис.

Бесспорно, что уровень качества РТС закладывается на ранних этапах разработки, при выборе стратегий проектирования и анализе проектных "идей" системы, а так же при выборе альтернативных проектных решений при проектировании составных частей систем. В современных условиях рыночной экономики, при проектировании РТС, повышается роль методов оптимального проектирования (с точки зрения обеспечения гарантированного уровня качества изделий) и оперативного анализа уровней качества технических решений непосредственно на этапах разработки, так как неудачный выбор стратегий проектирования или не оптимальных частных проектных решений, приводит к неоправданному увеличению сроков проектирования и снижению интегрального качества разрабатываемых систем.

В настоящее время, основным способом анализа "удачности" разработок является экспертный способ. Экспертный совет - группа людей, мнению которых доверяют, определяет номенклатуру показателей качества (ПК), определяет значения ПК и обобщенную оценку качества. Однако экспертизы чрезвычайно не оперативны и их проведение возможно только после основных этапов проектирования или при наличии макетных, опытных или готовых образцов изделий. При этом возникают проблемы организационного характера.

Таким образом, существуют проблемы анализа частных проектных решений в ходе проектно-конструкторских работ, которая до настоящего времени возложена лишь на мнение и интуицию самого проектировщика, генерирующего эти решения.

Поэтому, исследования, связанные с разработкой методов оперативного инженерного анализа частных проектных решений РТС, позволяющих использовать для расчетов конструктивные и экономические

параметры, а так же позволяющих оперативно оценивать затраты времени на проектирование, являются актуальными.

В настоящей диссертационной работе решаются задачи повышения эффективности процесса проектирования РТС, за счет сокращения сроков и повышения объективности анализа проектных решений на этапах проектирования, на основе разработки методов оперативного инженерного анализа проектных решений (ПР).

Достижение указанной цели требует решения следующих основных

задач:

- построение математических моделей анализа проектных решений разных конструктивных уровней РТС;

- разработка принципов формирования обобщенных ПК ПР РТС методом анализа иерархий;

- разработка метода ранжирования показателей качества;

- разработка принципов формирования систем решающих правил для определения значений ПК некоторых ПР (структурных, схемных, функциональных узлов на печатных платах, конструирования корпусов приборов), пригодных для автоматизированных расчетов.

Для решения основной цели работы предлагается концепция оперативного инженерного анализа проектных решений, когда сам проектировщик в ходе синтеза вариантов, способен расчетным способом выбрать лучший вариант и обосновать направление проектирования. При современном уровне возможностей автоматизации проектных работ, анализ ПР должен стать составной частью систем автоматизированного проектирования.

Исходя из такого подхода, проектировщик становится экспертом по своему ПР, а руководителю разработки предоставляется инструмент оперативного контроля хода проектирования, что позволит сократить сроки проектирования, повысить технический уровень разработок и гибко перестраивать стратегии проектирования. При разработке соответствующих частных методик, становится возможным прогнозировать уровень качества изделий, а не заниматься разбраковкой результатов проектирования.

Указанные вопросы приобретают особое значение при создании новых высокотехнологичных РТС, а соответственно очень дорогих систем. Проблема обостряется тем, что на современном этапе, в сфере разработки

и создания РТС появилась тенденция конкуренции отечественных и зарубежных разработчиков и производителей. Другим немаловажным аспектом современных условий является резкий рост потребностей в некоторых видах РТС: наземных связных системах, глобальных телекоммуникационных и навигационных спутниковых системах, системах спутникового телевидения, бытовых радиоустройствах.

Среди сравнительно новых и малоизученных, выделяется круг проблем, связанных с оперативным многокритериальным анализом и прогнозированием качества РТС и их конструктивных компонентов с учетом стоимостей разработки и изготовления, так как в современных условиях качество определяется, как компромисс между потребностями рынка - возможностями проектировщиков - возможностями производства -рыночной стоимостью изделия.

Решение задач анализа, прогнозирования и гарантированного обеспечения качества проектных решений на ранних стадиях создания изделий, возможно при учете максимально широкого круга ПК. Расширение номенклатуры, значимых при конкурентных отношениях^ показателей качества РТС, связано с проблемой количественной оценки качественных показателей и с повышением степени достоверности оценок качества ПР.

Для определения уровней качества РТС существует большое количество нормативно-технических документов [16,17,18,76]. Однако, в основном они предназначены для анализа образцов готовой продукции, или для анализа соответствия нормам ЕСКД и других НТД. Такие методики оценивают конечный продукт работы предприятий, тогда как выше показана необходимость контроля качества ПР до завершения проектных работ, когда возникает трудноформализуемая инвариантность возможных стратегий проектирования [13,15,31,37].

До настоящего времени нерешенной проблемой является взаимосвязь конструктивных параметров ПР конкретных конструкций РТС, прогнозируемых затрат на их производство и комплексной оценки качества, разрабатываемого объекта. Сложность данной задачи вызвана различной степенью достоверности оценок качества технических решений на разных уровнях конструктивной иерархии и на различных стадиях проектирования.

Используя принцип декомпозиции, радиосистему можно представить в виде иерархии ее частей, представленной на рис.1.

ПР располагаются на различных уровнях конструктивной иерархии, то есть проектные решения различных конструктивных рангов имеют разный вклад в интегральное качество изделия. В результате перехода к анализу ПР более низких рангов, возникают проблемы связанные с резким увеличением объема информации.

5 6 N = 10 ... 10

8'- система радиотехническая; Ш ... ип - устройства РТС; Ъ\ ...Тк. - конструктивный уровень сборочных единиц устройств; N - количество показателей качества на каждом из уровней конструктивной иерархии РТС.

Рис. 1. Конструктивная иерархия радиосистем.

Известно, что для сложных систем, количество конструктивных параметров и, соответственно, показателей качества, на уровнях с

максимальной детализацией технических решений, доходит до 104 - 106 [28,52]. С одной стороны, большие массивы данных усложняют математические вычисления, значительно увеличивают время расчетов, что приводит к желанию сократить количество ПК, а так же снижают чувствительность и устойчивость оценок, и затрудняют установление функциональных связей между параметрами. С другой стороны, для оперативности и улучшения достоверности результатов, количество ПК должно быть максимально возможным. Этот конфликт объективно сказался на отсутствии до настоящего времени, инженерных методик оценки качества.

В данной работе формируется и решается задача разработки стратегий и соответствующих им методик анализа и выбора оптимальных вариантов проектных решений РТС по показателям качества для этапов технического проектирования.

Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

- построение математических моделей анализа проектных решений для разных конструктивных уровней РТС;

- разработка принципов формирования обобщенных ПК ПР РТС методом анализа иерархий;

- разработка метода ранжирования показателей качества;

- разработка принципов формирования систем решающих правил для определения значений ПК некоторых ПР (структурных, схемных, функциональных узлов на печатных платах, конструирования корпусов приборов), пригодных для автоматизированных расчетов.

При формировании обобщенного ПК ПР, который служит критерием оптимальности разработки, обычно рассматривается совокупность технических характеристик и параметров, в виде различных показателей качества. В качестве характеристик РТС предлагается использовать следующие показатели:

- структурные (количество рангов и элементов каждого ранга) изделия;

- размерно-геометрические;

- конструктивные;

- эксплуатационные (эргономические и надежности).

В качестве критериев задач оценки оптимальности выделены:

- критерий функционирования;

- себестоимость разработки и производства;

- время проектирования.

Исследования РТС с помощью методов математической формализации, приводят к необходимости решения задач оптимизации целевой функции (обобщенного показателя) на некотором множестве возможных стратегий, при наличии функциональных ограничений, а так же к задаче дискретного выбора ПР.

В качестве целевой функции предлагается использовать комплексный показатель, определяемый как аддитивный показатель качества, а в качестве ограничивающих факторов - технические требования на разработку.

В общем случае, целевая функция и её ограничения не линейны и содержат дискретные и непрерывные аргументы [2]. Теоретические вопросы исследования операций и решения задач такого вида, при различных критериях оптимальности, изложены в работах [10,14,23,66,90].

В работах Г.Г. Бубнова, Э.А. Третьякова, С.Н. Гаричева [13, 78] рассмотрены задачи стоимостного анализа, возникающие при проектировании сложных РТС, и приведены примеры решения некоторых задач оптимального проектирования на основе эконометрического моделирования .

Вопросы синтеза РТС по показателям качества и многоэкстремальные задачи рассмотрены Гуткиним Л.С. [20], а так же в работах [38,55,75], где освещена теория векторного синтеза РЭС, проведена систематизация задач проектирования и дана их общая характеристика, рассмотрены некоторые вопросы обоснования исходных данных для синтеза, указаны особенности постановки задач при дискретном выборе систем, оптимизации параметров и синтеза структуры. Дан сравнительный анализ различных методов скаляризации, позволяющих предпочесть одно значение вектора качества среди возможных.

Анализ качества функционирования и технической эффективности сложных РТС отражен в работах [35,83].

Вопросы экономического анализа технической эффективности РЭС и РТС приводятся в [78,91], вопросы технико-экономического обоснования принятия решений в приборостроении изложены в [12,40].

Проблемы праксиологического анализа радиотехнических систем и принципы формирования иерархий ПК подробно рассмотрены в работах [80,82].

Широкое развитие получили методы построения стоимостных моделей различного назначения, позволяющих прогнозировать и оценивать затраты на их создание [29,33,34].

Что касается проектных решений конструкций РТС, то для них задача оперативного инженерного численного анализа конструктивных и стоимостных параметров по показателям качества еще нигде не ставилась.

Основные причины, по-видимому, являются объективными и заключаются в следующем. Несмотря на то, что теоретические основы методов проектирования и анализа РТС по показателям качества уже давно и достаточно основательно проработаны [13], их реализация, в виде частных методик кон�