автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Основы теории и методы формирования базовых проектных решений модулей ЭВА в САПР

2 2

Нз правах рукописи

ВИШНЕКОВ Андрей Владленович

УДК 621 3 040 77

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ БАЗОВЫХ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИИ МОДУЛЕЙ ЭВА В САПР

Специалыюеи, 05.13.12 - " Системы автоматизации проектирования "

АВТОРЕФЕРАТ

диссертащш тта соискание учёной степени

доктора технических наук

МОСКВА 1998

Работа выполнена в Московском Государственном институте электроники и математики ( Техническом Университете ).

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

В.С.Жданов

Официальные оппоненты:

♦ доктор технических наук, профессор Зайцева Ж.Н.

♦ доктор технических наук, профессор Ильин В.Н.

♦ доктор технических наук, профессор Шмид А.В.

Ведущая организация:

♦ Филиал Института автоматизации проектирования РАН

заседании специализированного совета Д.063.68.03 Московского Государственного института электроники и математики по адресу : 109028, т. Москва, Большой Трехсвятительский пер., д. 3/12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ

(ФИАЛ РАН)

Защита состоится " Ц/скЛ 1998 г. в /С

час. на

Автореферат разослан Учёный секретарь диссертационного совета

1998г.

Ю.Л. Ижванов

Общая характерно гика работы

Лктуалыюсть проблемы. Серьезные достижения в области разработки средств автоматизированного проектирования и систем автоматизации инженерного труда ( САЙТ ) в рамках системы комплексной автоматизации производства позволяют определить это направление развития электронной промышленности как одно из наиболее результативных в настоящее время.

Технология проектирования является важным аспектом автоматизированного проектирования, так как она формирует базис для разработки прогрессивных САШ1. Анализ разрабатываемых в настоящее время высокосложных методов и средств САШ1 свидетельствует о том, что наиболее перспективными и базовыми технологиями проектирования становятся тесно связанные между собой технологии сквозного, нисходящего и параллельного проектирования модулей ЭВА, что требует значительных усилий в направлении развития теории и методов автоматизации начального этапа проектирования или этапа концептуального проектирования. Включение сквозной интегрированной САШ* в систему комплексной автоматизации производства (СКА11), требует такой методики проектирования, которая обеспечила бы уже на самых ранних этапах правильный выбор основных параметров конструкции и оценку различных характеристик ее качества с учетом задач планирования, производства и управления технологическими процессами, так как этап конструкторского проектирования фактически предшествует стадии производства и ошибку, допущенную на данном этане, уже не исправить совершенством остальных компонентов СКАП.

Решение данной проблемы может быть получено путем разработки и включения в САПР комплекса инструментальных средств для исследования и выбора эффективных стратегий проектирования, позволяющих сформировать рациональную концепцию базового проектного решения модуля с учетом особенностей реализации последующих проектных процедур компоновки, размещения и трассировки, а также требований и ограничений технического задания (ТЗ). Применение указанных инструментальных средств позволит также на начальном этапе проектирования выработать глобальные и локальные правила

проектирования, обеспечивающие повышение надежности модулей и процент выхода годных интегральных схем. В связи с этим вопросы, связанные с созданием и исследованием методов принятия проектных решений в САПР на ранних стадиях проектирования несомненно являются актуальными.

Цель работы и задачи исследований

Целью работы является повышение эффективности САПР/САИТ модулей ЭВА, обеспечиваемое улучшением качества конструктивных решений, сокращением сроков и затрат при конструкторском проектировании, а также на этапе технологической подготовки производства, на основе комплекса методов и инструментальных средств автоматизации этапа концептуального проектирования в САПР.

Предметом защиты являются основные научные положения, методы, методики и математические модели, позволяющие осуществить этапы конструкторского аванпроекггирования в САПР ЭВА и направленные на совершенствование общей методологической базы проектирования модулей ЭВА в САПР/САИТ.

Основные методы исследования. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались принципы системного анализа, теории исследования операций, аппарат теории графов, теория кластерного анализа, аппарат теории вероятностей и математической статистики, элементы теории принятия решений, методы оптимизации, принципы распознавания образов и теория искусственных нейронных сетей. При программной реализации подсистемы поддержки принятия конструктивных решений использовались технологии структурного и модульного проектирования программного обеспечения.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в решении научной проблемы комплексной автоматизации этапа формирования базового проектного решения модуля ЭВА на стадии концептуального проектирования, решение которой позволяет сформировать базис для разработки прогрессивных систем САПР/САИТ и имеющей важное промышленное значение. В результате проведенных исследований получены следующие новые научные результаты:

- предложены принципы повышения эффективности систем автоматизированного проектирования на основе комплексной автоматизации процесса концептуального проектирования;

- разработана единая методологическая база и комплекс новых магматических моделей и методов для исследования, оценки эффективности и практического выбора вариантов конструкторского решения модулей ЭВА на этапе аванпроектирования;

- предложен, обоснован и практически реализован подход к многоуровневому моделированию объекта проектирования на этапе конструкторского аванпроектирования в СЛПР/САИТ, позволяющему реализовать технологии параллельного , сквозного и нисходящего автоматизированного проектирования;

предложен и обоснован подход к решению задачи выбора эффективных алгоритмов реализации коммутационно - монтажных процедур в САПР на этапе аванпроектирования на основе аппарата теории распознавания образов;

проведен обобщенный анализ и выбор эффективных структур нейронных сетей обратного распространения для решения задач оценки проектных параметров конструктивно функциональных модулей ЭВА в САПР/САИТ на этапе аванпроектирования;

- выдвинута концепция построения автоматизированных подсистем поддержки принятия проектных решений на этане концептуального проектирования на основе комплекса инструментальных средств аи&диза и формирования альтернативных вариантов проекта;

- установлены зависимости состава и структуры программного комплекса автоматизированной подсистемы поддержки принятия базового конструкторского решения от функциональных и информационных процедур решения коммутационно-монтажных задач в СЛПР/САИТ ЭВА.

Практическая ценность. Практическая ценность работы состоит:

- в создании научных основ и методических материалов по моделированию объектов проектирования в САИР/САИГГ ЭВА на этапе аванпроектирования;

- в разработке совокупности формальных методов и инженерных методик прогностической оценки метрических и топологических параметров конструктивно-функциональных

модулей ЭВА матричного типа, позволяющих расчетным путем определить численные значения основных критериев качества решения коммутационно-монтажных задач на этапе концептуального проектирования в САПР;

- в разработке алгоритма человеко-машинной процедуры принятия рационального конструктивного решения модуля ЭВА на этапе концептуального проектирования в САПР/САИТ;

- в разработке комплекса инструментальных средств для исследования и выбора эффективных стратегий технического проектирования и производства на этапе концептуального проектирования в САПР/САИТ ЭВА;

- в разработке технических рекомендаций по созданию автоматизированных подсистем поддержки принятия проектных решений на этапе концептуального конструкторского проектирования в САПР ЭВА.

- в разработке технических рекомендаций по адаптации сквозной интегрированной САПР к конструктивным особенностям объекта проектирования;

- в использовании результатов исследований для разработки учебного плана и методического обеспечения по курсу "Автоматизация проектирования, конструирования и технологической подготовки производства ЭВМ" по специальности 22.01 "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети".

Реализация результатов работы. Внедрение теоретических и практических результатов, полученных в диссертационной работе на предприятии РКК "Энергия" для целей расчета и оптимизации параметров модулей электронной аппаратуры, позволило повысить качество и сократить сроки разработки изделий электронной техники на данном предприятии. Предложенные в диссертации формальные методы и процедуры для прогностической оценки и выбора метрических и топологических параметров модулей ЭВА и реализующее их программное обеспечение внедрены также в учебный процесс МГИЭМ, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы.

На Всесоюзной школе-семинаре "Разработка и применение в народном хозяйстве ЕС ЭВМ" ( г.Москва, 1985), на Всесоюзной научной конференции "Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем" ( г.Москва, 1985), на

Всесоюзной школе -семинаре "Разработка и внедрение в народное хозяйство систем автоматизированного проектирования" ( г.Ереван, 1986), на Всесоюзной школе-семинаре. "Разработка и внедрение в народное хозяйство ЕС ЭВМ" ( г.Москва, 1987), на научно-технической конференции "Современные технологические процессы в приборостроении" ( г.Москва, 1987), на научно-техническом семинаре "Организационно-экономические проблемы проектирования вычислительных систем" ( г.Москва, 1987), на XTV научно-технической конференции "Посвященная Дню радио" ( г.Москва, 1988), на Всесоюзной научно-технической конференции 'Микропроцессорные средства локальной автоматики" ( г.Гродно, 1989), на Республиканской научно-технической конференции "Автоматизация проектирования РЭА и ЭВА" ( г.Пенза, 1990), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Автоматизация и интеллектуализация проектирования систем автоматического управления" ( г.Ростов Великий, 1990), на Всесоюзной научно-технической конференции с международным участием "МИКРОСИСТЕМА - 91" ( г.Суздаль, 1991), на Всесоюзной школе-семинаре "Пути повышения интеллектуализации САПР" ( г.Симферополь, 1991), на Всесоюзной научно-технической конференции с .международным участием "МИКРОСИСТЕМА -93" ( г.Москва, 1993), на первом Российско-Германском симпозиуме "Интеллектуальные информационные технологии в принятии решений" ( г.Москва, 1995), на III научно-технической конференции "МГИЭМ" ( г.Москва, 1995), на III международной конференции "Развитие и применение открытых системах" ( г.Москва. 1996), на II международной конференции "Новые информационные технологии и системы" ( г.Пенза. 1996), на втором Российско-Германском симпозиуме "Новые информационно-методологические среды в подготовке и переподготовке кадров по информатике" ( г.Москва, 1996), на пятой международной конференции-выставки "Информационные технологии в образовании" ( г.Москва, 1996), на III Всероссийской конференции "Нейрокомпьютеры неприменение" ( г. Москва 1997).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 32 печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 2 U наименований и приложений.

Работа изложена на 32.S страницах машинного текста, содержит ¿У рисунков, и 20 таблиц.

Основное содержание работы

Введение.

Во введении обоснованы актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна работы, ее практическая ценность. Приведена структура диссертации и ее краткое содержание по главам.

Глава I. Постановка задачи формирования базового проектного решения модуля ЭВА в САПР па стадии аванпроектироваиия.

В настоящее время наибольшая интенсивность исследований в области создания средств повышения эффективности САГТР/САИТ модулей ЭВА наблюдается по таким основным направлениям, как развитие общей теории проектирования, тесно связанной с теорией принятия решений в САПР, а также анализ технологий проектирования, машинная графика и совершенствование аппаратных средств. Наибольшее количество исследований по развитию технологии проектирования проводится в Японии, исследования же в Европе и США имеют скорее подтверждающий характер.

Проблемы теории автоматизированного проектирования и создания систем комплексной автоматизации производства изделий электронной вычислительной техники носят междисциплинарный характер. В исследовании этих проблем значительный вклад внесли: Абрайтис Л.Б., Батищев Д.И., Бахтин Б.И., Бершадский A.M., Бодрягин В.И., Зайцева Ж.Н., Курейчик В.М., Левин В.К., Немудров В.Г., Норенков И.П., Петренко А.И., Селютин В.А Файзуллаев Б.Н. и другие отечественные и зарубежный ученые.

Процесс проектирования делится на три основных этапа: общее проектирование, проектирование на начальной стадии и детальное проектирование. В ходе последовательного выполнения

этих этапов осуществляется конкретизация абстрактных общих представлений о проектируемом модуле. В этом смысле задача общего и частично начального проектирования заключается в том, как имеющуюся обработку знаний, которая выполняется человеком на основе собственного опыта и интуиции, осуществить с помощью ЭВМ. Рассмотрим с этих позиций технологии проектирования применяемые в области создания электронно-вычислительной техники (ЭВТ).

Разрабатываемые в настоящее время методы и средства САПР свидетельствуют о том, что наиболее перспективными и базовыми технологиями проектирования становятся тесно связанные между собой технологии нисходящего и параллельного проектирования модулей ЭВТ.

В отличие от традиционных последовательных процессов проектирования при параллельном проектировании информация относительно окончательных характеристик разрабатываемого изделия формируется и предоставляется всем участникам работ уже на ранних этапах процесса проектирования. Имея в своем распоряжении специальные интегрированные инструментальные средства и системы проектирования, разработчик может создавать альтернативные стратегии и быстро оценивать их эффективность.

Параллельное проектирование, или комплексный инженерный подход к проектированию, предусматривает учет множества параметров и аспектов разрабатываемых изделий в процессе проектирования благодаря наличию соответствующих инструментальных средств формирования на начальной стадии проектирования аналитической информации об объекте (информация носит прогностический характер) и разделению ее между различными исполнителями работ и соответствующими инструментальными средствами. Разработчики получают возможность оперативно предсказывать влияние принимаемых проектных решений на будущие характеристики разрабатываемого изделия, на его технологичность и быстродействие. По-существу технология параллельного проектирования является дальнейшим развитием технологии сквозного автоматизированного проектирования.

Методология нисходящего проектирования предполагает, что инженеры начинают работать над проектом на высоком уровне абстракции, что позволяет им исследовать различные возможные варианты проекта на начальных этапах цикла проектирования и

выбирать конкретные технические решения по проектируемым модулям и системам еще до выполнения конкретных коммутационно-монтажных процедур в САПР. При использовании технологии нисходящего проектирования основными задачами руководителя проекта и инженеров ( если речь идет о принятии конкретных проектных решений на различных этапах проектирования) являются задачи определения оптимального концептуального решения и выбора рациональных технических и инструментальных средств проектирования интегрированной САПР на базе достаточно общей и зачастую неопределенной информации. Важным шагом в решении этих проблем станет появление так называемых предиктивных инструментальных средств проектирования, то есть программного обеспечения, связывающего этапы логического и физического проектирования. Предиктивный инструментарий должен, в частности, прогнозировать конкретные способы реализации проектов на конечных этапах и учитывать их уже в начале цикла проектирования. Разработчики, использующие предиктивный инструментарий, будут иметь возможность взаимодействия с предиктивными средствами как на уровне всего проекта, так и на уровне конкретных проектных процедур.

Таким образом, широкое внедрение в практику перспективных технологий параллельного и нисходящего проектирования делает разработку изделий менее последовательной, разрушает границы между группами проектировщиков, позволяет им коллективно использовать информацию и более осмысленно и эффективно работать на самых ранних этапах проектирования.

Развитие технологий нисходящего и параллельного проектирования в системах САПР/САИТ требует также решения комплекса сложных научных проблем, связанных как собственно с разработкой систем автоматизированного проектирования конкретных модулей электронно-вычислительной техники, так и с интеграцией этих систем для решения практических задач в рамках эффективной целостной технологии автоматизированного проектирования и прежде всего интеграции процессов анализа и проектирования в САПР.

Предметом дальнейших исследований в области развития технологии сквозного автоматизированного проектирования является создание сквозных автоматизированных систем САЙТ.

Анализ рассмотренных выше технологий проектирования показывает, что эффективное их использование может быть достигнуто лишь при решении проблемы автоматизации начального этапа проектирования. так называемого аваппроектирования. Основной задачей указанного этапа является задача выбора альтернативных вариантов проектного решения модуля и определение наиболее эффективного базового проектного решения. Эта проблема является не только наиболее сложной, но и узловой проблемой проектирования, поскольку ошибка в исходных позициях зачастую не может далее исправлена совершенством других компонентов САПР, что в сиою очередь приводит к Зтзсличениго числа итерационных циклов как при выполнении конкретных проектных процедур, так и всего процесса в целом.

Таким образом, необходимо разработать комплекс методов, которые позволяли бы уже на самых ранних этапах проектирования достаточно правильно выбрать основные параметры конструкции модуля и оценить различные характеристики ее качества, с тем чтобы уже в ходе процесса детального проектирования получить конструкцию не требующую серьезных изменений,

В основу решения данной проблемы могут быть положены различные подходы. В частности выбор концепции базового проектного решения может быть основан на опыте и интуиции разработчика, однако поскольку сложность разрабатываемых электронных модулей постоянно растет и для принятия правильного решения требуется анализ все большего и большего объема разнородной информации этот подход нельзя признать эффективным, так как возможности человека ограничены. Другой подход связан со статистической обработкой параметров существующих модулей, однако статистической обработки результатов недостаточно в принципе, хотя она и очень важна. Статистический подход, прежде всего, не дает возможности правильно оценить принципиально новые технические решения. Но его эффективность может быть повышена при использовании аппарата искусственных нейронных сетей для построения внутренней модели объекта проектирования в тех проектных ситуациях, когда функциональная связь между конструктивно-технологическими параметрами и заданной целевой функцией неизвестна. Наиболее перспективный подход связан с разработкой формальных методов, построенных на основе анализа

математических моделей объекта проектирования. Однако следует учитывать сложность разработки подобных методов.

Таким, образом одной нз основных задач является исследование возможности объединения формальных методов с неформальными процедурами выбора базового конструктивного решения модуля ЭВА в САПР и разработки целостного математического описания конструктивно-функциональных модулей ЭВА на основе структурированного объединения математических моделей в соответствии с различными уровнями детализации проектного решения модуля в САПР. Проведенный анализ показал, что наиболее эффективной стратегией с это» точки зрения является представление процесса проектирования в виде процесса функционирования совокупности проектных модулей. Так же предметом исследования являются проблемы оптимизации базового проектного решения и выбор эффективных алгоритмов его реализации на основе разработанного комплекса математических моделей и методов прогностической оценки параметров модулей на начальной стадии проектирования.

Проведенный анализ показывает, что возможны два подхода к автоматизации концептуального проектирования. Первый предполагает разработку инструментальных средств поддержки деятельности проектировщика в ходе синтеза концептуального решения модуля. Второй основан на построении системы задач синтеза проектного решения и создании средств их решения.

Однако наиболее прогрессивный подход связан с компиляцией двух рассмотренных выше подходов на основе построения обобщенной модели, отражающей с одной стороны процесс синтеза проектного решения в целом, с другой стороны включающей модели оценки частных проектных процедур. Важной особенностью такого подхода является принципиальная возможность на его основе реализации перспективной технологии нисходящего проектирования.

В качестве основополагающих характеристик обобщенной модели на основе которой производится анализ и выбор концептуального проектного решения можно выделить:

1. Свойство интеграции, то есть обобщенная модель должна интегрировать частные модели в зависимости от конкретной проектной ситуации.

2. Свойство эволюционности модели, заключающееся в том, что обобщенная модель по сути должна являться рабочим

пространством для поэтапного совершенствования модели проектируемого объекта применяемой на начальной стадии проектирования.

3. Свойство дуальности, отражающее возможность представления обобщенной модели с одной стороны, как модель проектируемого объекта, с другой стороны, как модели отражающей сам процесс проектирования.

4. Универсальность или применимость для разработки широкого спектра модулей ЭВА.

5. Свойство полноты, то есть полноты охвата замысла проекта.

Важным вопросом при разработке модели концептуального

проектирования является создание интегральной пространственной модели процесса аванпроектирования, отражающей взаимодействие основных информационных потоков и общую технологию проектирования изделия. Разработка указанной модели дает возможность построения адекватной обобщенной многоуровневой сетевой математической модели и создание инфраструктуры инструментальных средств автоматизации этапа концептуального проектирования.

Можно выделить три основные процедуры на стадии концептуального проектирования:

- процедура общего анализа проектной ситуации;

- процедура генерации промежугочных проектных решений;

- процедура оценки конкурентноспособности решений и выбора базового проектного решения.

Все указанные процедуры на этапе концептуального проектирования носят прогностический характер.

Па начальном этане производится общий анализ проблемы и генерация возможных проектных решений на основе анализа предыдущих разработок, а также опыта и интуиции разработчиков. При этом множество возможных вариантов проектных решений может бьггь достаточно велико. На следующей стадии происходит сужение множества решений за счет дополнительного привлечения формальных многоуровневых методов анализа проектных решений , основанных на анализе математической модели конструктивно-функционального модуля, позволяющей учитывать ограничения накладываемые на объект на последующих этапах проектирования. На третьей, заключительной, стадии происходит снижение удельного веса процедур анализа и генерации вариантов проектных решений и на первый план выступают процедуры комплексной

оценки конкурентноспособных вариантов проекта и принятия базового конструктивного решения. Представленная модель фазы выработки концептуального решения модуля во многом схожа с моделью процесса реального проектирования Бекхолта, однако она в большей степени отражает возрастающий удельный вес процедур анализа, так как на начальной стадии проектирования приходится принимать решения как в условиях определенности, так и в вероятностно-определенных и неопределенных условиях.

Важным требованием, является также требование возможности уточнения модели в ходе анализа последовательности коммутационно-монтажных процедур в САПР. Этим обуславливается целесообразность выбора сетевой конвеерной структуры модели, содержащей три уровня в соответствии с характером задач компоновки, размещения и трассировки, решаемых на этапе конструкторского проектирования. Сетевая конвеерная структура модели является следствием реализации проектирования как процесса последовательной детализации проекта. Вопросу детализации следует уделить особое внимание, так как чем выше детализация проектируемого объекта, тем точнее возможны прогнозирование и оценка последствия принятия тех или иных промежуточных проектных решений, тем более достоверны результаты этого прогнозирования. Количество и характер элементарных математических моделей, объединяемых многоуровневой конвеерной сетевой моделью, описывающей проектируемый модуль в целом, определяется набором критериев оптимизации и оценки качества конструктивного решения в САПР/САИТ.

Таким образом, основными проблемами, требующими решения при разработке комплексной математической модели конструктивно-функционального модуля для формирования базовой концепции проектного решения являются:

- анализ содержания задачи проектирования;

- определение принципов и схемы декомпозиции исходной задачи на подзадачи ( возможны последовательные, параллельные и последовательно-параллельные схемы);

- установление причинно-следственных и информационных связей между выделенными подзадачами и критериями оценки конструктивного решения.

Таким образом, постановка задачи формирования базового проектного решения модуля ЭВА в САПР может быть

сформулирована в рамках подхода к проектированию сложных технических объектов, основанного на использовании идей и методов системного анализа. Задача выбора конструктивного решения с точки зрения реализации коммутационно-монтажных процедур может быть сформулирована следующим образом:

К_|(х)-----> шах, ,2,..,,п , где

К - множество используемых критериев при решении конкретной задачи конструкторского проектирования (для частных критериев, требующих минимизации, производится замена знака, т.е. К)*= -КЗ);

X - вектор метрических и топологических параметров.

Множество X - это, фактически, множество "возможных" параметров, то есть допустимых уровнем технологии и концепцией компоновочной схемы проектируемого модуля.

Можно выделить три основных этапа в решении поставленной задачи: построение математической модели конструктивно -функционального модуля, формулирование задачи оптимизации и решение оптимизационной задачи.

При формировании задачи оптимизации конструктивного решения возникает проблема определения функционала К(х). Показано, что функционал К(х) зависит не только от метрических и топологических параметров модуля, но и от большого количества достаточно неопределенных факторов у е У, характеризующих методы и средства проектирования с точки зрения реализации топологии печатных соединений. Таким образом, К=К(х,у). Одним из возможных путей решения поставленной проблемы является определение вспомогательных функционалов, которые с точностью, удовлетворяющей конструктора, зависят лишь от небольшого количества "существенных" параметров. Тогда задача оптимизации может быть представлена следующим образом:

КХх) * К']'(х') -> птах,х- е X где х' - множество "существенных" параметров.

Проведенный анализ показал, что в качестве "существенных" переменных целесообразно выделить: количество элементов, расположенных по оси X и по оси У, шаг сетки трассировки, количество слоев разводки сигнальных соединений, а также коэффициент связанности элементов, и средний размер цепи активных выводов одного элемента, а в качестве критериев оценки конструктивного решения выбрать: плотность компоновки

элементов, среднюю длину межэлементных связей, суммарную длину связей, количество внешних выводов модуля, суммарную длину полупериметров зон реализации цепей, суммарную площадь зон реализации цепей, количество межслойных переходов, образующихся при трассировке сигнальных соединений и плотность проводников в поле трассировки.

На основе анализа особенностей сформулированной задачи оптимизации, обусловленных спецификой коммутационно -монтажных задач в САПР ЭВА, к которым, в частности, относится возможность критериально - экспертного выбора при анализе альтернативных "стратегий",сделан вывод о целесообразности применения для решения поставленной задачи интерактивных методов оптимизации с использованием ЛПР (лица, принимающего решение).

Глава II. Модели и методы прогностической оценки метрических и топологических параметров конструктивно-функциональных модулей ЭВА.

Проведенный анализ существующих математических моделей и методов позволил выявить ряд их существенных недостатков, к которым в частности относится отсутствие совместимости разработанных моделей, что затрудняет проведение на их основе прогностической оценки качества проектного решения с учетом принципа последовательной детализации ОП в ходе процесса проектирования. Для решения указанной проблемы разработана многоуровневая конвейерная сетевая математическая модель конструктивно-функционального модуля, отражающая принцип параллельно-последовательной декомпозиции задачи принятия конструктивного решения в САПР, представленная на Рис.1

N э

М(а) = U Mi (ai), где i=l

N- размерность критериального пространства,

ai- вектор параметров i- ой элементарной сетевой конвейерной модели Mi (ai), определяемой как:

э К э

Mi(ai) = U mij (Pj), где i=l

К- количество элементарных математических моделей mj (pj), реализующих i-тую сетевую конвейерную модель, Pj- вектор параметров j-ой элементарной модели, причем К

aie U pj. j=l

Для решения указанной проблемы разработана многоуровневая сетевая математическая модель конструктивно-функционального модуля, полученная путем объединения девяти элементарных моделей:

ml :{B,nx, ny, tx}=> lepx ;

m2:{B,nx, ny, ty}=> lepy ;

m3:{c,nx, ny, r}=>v ;

m4:{ lepx ,lcpy ,v, c, nx, ny }=> Lg- ;

m5:{ lepx ,lcpy ,v, c, nx, ny, n }=> ?r ;

m6:{ lepx ,lcpy ,v, c, nx, ny, n}=> S^ ;

m7:{ lepy, tT, v, c.nx, ny, n, Rx, Bz, Bp }=> Wx ;

m8:{ lepx , tT, v, c,nx, ny, n, ITy, Bz, Bp }=> Wy;

m9:{ lepx , lepy ,Wx, Wy, v, c,nx, ny, Bz, Bp }=> Q.

Количество и характер элементарных моделей выбраны на основе анализа множества критериев оценки качества решения коммутационно-монтажных задач в САПР, используемых на этапах компоновки, размещения и трассировки. Структура разработанной модели может быть представлена в виде ориентированного графа G'(K,X), изображенного на рис. 1, в котором вершины соответствуют элементарным моделям, а дуги - переменным, где В-коэффициент связности элементов; nx, пу- количество элементов, расположенных соответственно по оси X и по оси Y на коммутационном поле; tx, ty - шаг размещения элементов по оси X и по оси Y; lepx, lepy- средняя длина межэлементной связи по оси X и по оси Y; L^ суммарная длина межэлементных связей; С-среднее количество активных выводов элемента; 0.57< г <0.75, причем, величина г - наибольшая для операционных устройств

параллельного типа и наименьшая для последовательных логических схем; V- количество внешних выводов модуля; Р^ , Б ^ -соответственно суммарная длина полупериметров и суммарная площадь зон реализации цепей; п- средний размер цепи активных выводов элементов; шаг сетки трассировки сигнальных соединений; Вг, Вр- количество каналов трассировки, блокируемых шинами "Земля" и "Питание"; Нх ,Ну- количество соединений, блокируемых внешним выводом элемента по оси ОХ и по оси ОУ;

,\Уу- габаритные размеры коммутационного поля модуля по оси X и по оси У; С>- количество межслойных переходов, образующихся при трассировке сигнальных соединений. Предлагаемая модель позволяет осуществить оценку конструктивного решения с учетом особенностей реализации всего комплекса коммутационно-монтажных процедур при последующем уточнении на каждом шаге проектирования входящих в нее элементарных математических моделей.

Многоуровневый характер модели является следствием реализации проектирования как процесса последовательной детализации проекта.

В основе математической модели для оценки средней длины связи лежит оценка распределения расстояния между двумя случайными точками, расположенными в прямоугольнике, площадь которого определяется средней площадью связности элементов на коммутационном поле. Разработанная методика прогностической оценки средней длины межэлементной связи позволяет проводить анализ двух ситуаций: когда элементы располагаются по критерию минимальной суммарной длины связей и когда элементы расположены на коммутационном поле случайным образом, и состоит из следующих основных этапов:

1. Оценка коэффициента связности элементов.

2. Оценка средней площади связности элементов.

3. Оценка средней длины межэлементной связи.

Рис.1

Математическая модель для оценки габаритных размеров модуля строится на базе графовой модели. Под графовой моделью понимается неориентированный взвешенный граф (3(и,Е), в котором каждой вершине ш соответствует столбец либо строка элементов на коммутационном поле, а ребру 1у соответствует наличие соединений между элементами ;-го и ]-го столбца, либо ь той и >той строки. Длина ребра определяется величиной средней длины межэлементной связи, рассчитываемой на основе элементарных моделей гп1 иш2.

Вес вершины графовой модели VI определяется количеством межэлементных связей, пересекающих границы соответствующего столбца (строки) элементов. Разработанная математическая модель позволяет учитывать наличие цепей активных выводов, неоднократно пересекающих указанные границы. Задача оценки вероятного числа пересечений сводится к задаче определения вероятности возвращения в начальный столбец (строку) состояний, частицы, случайно блуждающей по прямоугольной решетке с отражательными экранами, которые соответствуют границам коммутационного поля.

Габаритные размеры конструктивно-функционального модуля рассматриваются как функция числа сигнальных соединений, пересекающих его вертикальные и горизонтальные критические сечения, определяемого количеством ребер графовой модели, пересекающих данные сечения. Под критическим сечением понимается сечение, которое пересекает наибольшее количество соединений.

Разработанная методика прогностической оценки габаритных размеров модуля включает следующие основные этапы:

- построение графовой модели;

- оценка числа пересечений межэлементными связями вертикальных и горизонтальных сечений модуля;

- оценка габаритных размеров.

В основе математической модели для оценки числа межслойных переходов лежит анализ совместного распределения случайных отрезков сигнальных соединений в канале трассировки. Полагая, что расстояние от случайной непокрытой точки до ближайшего занятого участка канала имеет экспоненциальное распределение со средним к , где А, - плотность

непересекающихся отрезков разведенных соединений в канале, определяется количество межслойных переходов, образующихся

при трассировке горизонтальной и вертикальной части сигнальных соединений, длина которых 1срх и lcpy рассчитывается на основе элементарных моделей ml и гп2.

В разработанной методике прогностической оценки количества межслойных переходов, образующихся при трассировке печатных соединений в ортогональной сетке каналов на коммутационном поле заданного размера, можно выделить следующие этапы:

- оценка средней длины горизонтальной и вертикальной составляющих сигнальной связи;

- оценка плотности непересекающихся отрезков соединений в горизонтальных и вертикальных каналах трассировки;

оценка количества соединений, при трассировке горизонтальной и вертикальной составляющих которых образуется q=0,1,..., qm межслойных переходов;

- оценка общего количества межслойных переходов.

Сравнительная оценка теоретических результатов и

результатов экспериментальных исследований на реальных модулях ЭВА показала, что разработанные в диссертационной работе элементарные математические модели для оценки частных критериев позволяют получить результаты не хуже, чем лучшие из альтернативных моделей.

Глава III. Методы принятии проектиых решений в САПР/САИТ модулей ЭВА.

Создание конвеерной сетевой математической модели предполагает изменение формальных условий принятия промежуточных вариантов проектного решения в зависимости ог уровня модели. При этом можно выделить следующие условия оптимизации и принятия проектных решений :

— Определенные условия, когда вся исходная информация считается (или принимается) точно известной. Эти условия чаще характерны для первого уровня моделирования, на котором на базе параметров и ограничений заданных в техническом задании, а также справочных материалов прогнозируются значения исходных параметров модели, передаваемых на последующие уровни моделирования. Следует отметить, что данная ситуация не типична для этапа аванпроектирования модулей ЭВА.

~ Вероятностно-определенные условия или условия риска, когда помимо однозначных исходных данных имеются случайные величины с известными вероятностными характеристиками, определенными на первом уровне моделирования.

— Условия неопределенности, когда наряду с первыми двумя категориями информации имеются величины значения которых не удается определить даже в вероятностном смысле. Эти условия в наибольшей степени характерны для уровня анализа топологии модуля.

Показано, что распределение условий оптимизации по уровням, в общем случае, зависит от конкретной задачи проектирования. Следует также учитывать характерные особенности задачи принятия конструктивного решения в САПР ЭВА, к которым в частности можно отнести следующие:

1. Критерии оценки качества проектного решения носят количественный характер.

2. Рассматриваемая задача принятия решения, но существу сводится к классу смешанных задач векторной оптимизации.

3. Задача оптимизации конструктивного решения является нелинейной задачей.

4. Ряд метрических и топологических параметров модуля могут принимать только дискретные значения с определенным шагом.

5. Критерии выбора проектного решения взаимозависимы. Причём оценить значение критерия с точки зрения его приемлемости можно только по совокупности значений ряда критериев.

6. Как правило параметры конкретной задачи принятия решения можно ранжировать по мобильности, то есть по предпочтительности варьирования их численных значений в ходе решения задачи.

7. Существует, как правило, исходное (начальное) концептуальное решение, предлагаемое руководителем проекта или инженером-конструктором на основе опыта предыдущих разработок и собственной интуиции.

Необходимо так же подчеркнуть, что методы решения указанной задачи должны обладать малой чувствительностью к случайным ошибкам лица принимающего решение (ЛПР), то есть должны использоваться методы, в которых ошибка ЛПР ведет к увеличению числа итерационных шагов для получения

рационального решения, а не к исключению множества вариантов, претендующих на решение поставленной задачи. При этом задача принятия решения может носить элементы риска и неопределенности.

Наконец, характерной особенностью задачи принятия базового проектного решения в САПР является возможность четкой для количественного анализа формулировки задачи, то есть:

- могут быть четко определены количественные критерии оптимизации проектного решения и состав варьируемых параметров;

- выявлены параметры, которые носят неопределенный или неоднозначный характер;

- определена система уравнений, отражающих реальные взаимосвязи между "существенными" параметрами и критериями оптимизации проектного решения.

Принятие конструктивного решения в САПР/САИТ модулей ЭВА содержит три основных фазы: определение критериев оценки качества проектного решения, генерация множества рациональных вариантов проекта и выбор базового концептуального решения модуля.

Проведенный обзор и анализ человеко-машинных процедур принятия решений в условиях многокритсриальности с учетом особенностей проблемы выбора конструктивного решения в САПР показал, что существующие методы не в полной мере учитывают специфику данной задачи. На основе результатов проведенного анализа сделан вывод о целесообразности разработки методики принятия решения на основе комплексирования человеко-машинных процедур, сочетающих особенности адаптивных методов оптимизации с участием ЛПР и интерактивных методов принятия решений в условиях неопределенности. При возникновении проектных ситуаций, когда функциональная связь между параметрами и критериями задачи неизвестна, то есть отсутствует адекватная математическая модель процесса принятия решения, наиболее эффективными являются методики основанные на базе процедур стохастической оптимизации на искусственных нейронных сетях, которые могут использоваться как средство снятия неопределенности в задаче принятия решения, наряду с применением аппарата нечетких множеств. Проведённый анализ показал, что наиболее эффективной оказалась структура сети обратного распространения с тремя промежуточными слаями по 17

элементов в каждом, причем в качестве передаточной функции и обучающего правила наиболее эффективны гиперболический тангенс и дельта - правило. Целесообразна также предварительная фильтрация значений параметров обучающей выборки сети.

При принятии проектного решения в САПР на стадии аванпроектирования доминируют две основные стратегии:

- пошаговый предварительный анализ проектного решения,

- обобщенный комплексный анализ этапа конструкторского проектирования.

Пошаговый анализ подразумевает последовательную оценку выполнения каждого конкретного этапа конструкторского проектирования с последующим уточнением полученных оценочных значений по результатам реального процесса проектирования в рамках указанного этапа, либо на основе обработки статистических данных.

При реализации стратегий комплексного анализа и "пошаговой" оценки результатов этапа конструкторского проектирования в случае невозможности уточнения и коррекции результатов оценки на каждом шаге задача принятия решения характеризуется тремя возможными фазами: фазой принятия решения в условиях определенности, фазой вероятностно-определенных условий оптимизации и фазой условий неопределенности, что требует применения иерархических структур принятия решений.

Метод снятия неопределенности во многом определяется типизацией разрабатываемых модулей и возможностью обработки статистической информации по ранее спроектированным модулям.

Проведенный анализ методов принятия решений в условиях многокритериальное™ позволил выделить в качестве базовых следующие методы: для принятия в условиях определенности -адаптивные методы с участием лица принимающего решение (ЛПР), позволяющие выделить множество проектных решений, и для вероятностно-определенных и неопределенных условий -методы формирования множества доминирующих вариантов на основе оценок, производимых на базе конвеерной сетевой математической модели, либо с помощью искусственной нейронной сети. В случаях, когда пересечение множеств доминирующих вариантов по отдельным критериям пусто и возможно задание допустимых интервалов значений неопределенных входных данных наиболее эффективным является

применение аппарата нечетких множеств с использованием метода взвешенных оценок. Окончательный выбор базового варианта проектного решения, включая средства его реализации, целесообразно производить на основе метода анализа иерархий.

К преимуществам метода анализа иерархий в рамках решения доставлений задачи можно отнести:

— метод даёт возможность провести декомпозицию и анализ проблемы оценивая альтернатив в конкретной ситуации базируясь на пространственной модели процесса проектирования, отражающей наряду с техническими аспектами, экономические и организационные факторы

— позволяет учитывать предпочтения проектирования на множестве критериев. От проектировщика требуется только определить относительную важность критериев путем попарного сравнения. Данная процедура относится к классу нормально допустимых по сложности процедур для Щ1Р

— иерархическое представление системы принятия решений даёт ЛПР наглядную и простую для понимания картину влияния изменения приоритетов на верхних уровнях на приоритеты элементов нижних уровней

— иерархии обладают свойством устойчивости и гибкости

— метод достаточно хорошо автоматизируется

Анализ человеко-машинных процедур принятия решений в условиях определенности с учетом особенности задачи выбора конструктивного решения в САПР показал, что существующие методы не в полной мере учитывают специфику данной задачи. На основе результатов проведенного анализа сделан вьюод о целесообразности разработки человеко-машинной процедуры принятия конструктивного решения в САПР на основе сочетания особенностей интерактивных лексикографических методов многокритериальной оптимизации и метода ограничений.

По аналогии с лексикографическими методами вводится понятие "стратегии", где под "стратегией" понимается совокупность метрических и топологических параметров, претендующих на решение поставленной задачи, обозначаемая через х=(х1,х2 ,..хт). Эффективность выбранной "стратегии" характеризуется частными критериями, под которыми понимается функционалы, определенные на множестве стратегий X. Значение функционала для фиксированной стратегии определяется с помощью математической модели конструктивно-

функционального модуля. Считается, что в рамках разработанных моделей множество, состоящее из восьми чисел К1(х), К2(х),,.., К7(х), К8(х) в соответствии с множеством критериев оценки качества решения коммутационно-монтажных задач в САПР полностью характеризует эффективность данной стратегии. Количество используемых частных критериев зависит от характера решаемой задачи конструкторского проектирования и определяется лицом, принимающим решение.

Условие превосходства одной стратегии над другой формулируется следующим образом. Стратегия х* не хуже стратегии хЛ, если выполняется неравенство:

К1(х*) > Кд(хЛ) ,¡=1,2,'...,8

Если Кл(х* ) = Кл(хл) , ¡=1,2,...,8, то эти стратегии считаются эквивалентными. При отборе из множества стратегий X используется критерий приращения более важного частного критерия при условии их ранжирования по важности. Проведенный анализ показал, что в основу решения подобного рода задач целесообразно положить метод последовательных уступок, базирующийся на принципах лексикографического упорядочения.

К особенностям интерактивной модификации указанного метода относятся следующие:

- ЛПР задает допустимые интервалы изменения значений используемых критериев и переменных и, при необходимости, шаг изменения соответствующих переменных;

- решение задачи может начинаться с начальной стратегии, задаваемой ЛПР на основе опыта предыдущих разработок;

- ЛПР задает множество индексов переменных, увеличение значений которых ведет, соответственно, либо к увеличению (множество вц+Х либо к уменьшению (множество вч-) рассматриваемого частного критерия;

- на основе анализа целевой зависимости между критериями ЛПР формирует "связки" критериев с последующими ранжированием их по важности

- уступка на критерий в явном виде не задается, а вычисляется на основе задания ЛПР конкретной модификации исходной стратегии;

- переменные х1,х2 ,..,хт, характеризующие частные стратегии, ранжированы по свойству мобильности. Ранжирование

производится на основе анализа предпочтительности изменения метрических или топологаческих параметров при решении конкретной задачи конструкторского проектирования. Таким образом, при модификации исходной стратегии в первую очерель меняется первая по мобильности переменная.

- на каждом итерационном шаге ЛПР выдается информация о значениях частных критериев и текущих значениях параметров, на основании которой осуществляется выбор направления поиска удовлетворительного конструктивного решения. Причем, на начальном шаге вычисляется матрица частных оптиумов и сообщается ЛПР для оценки максимально достижимых значений по отдельным критериям, так как данная информация может играть существенную роль при анализе целесообразности изменения значений частных критериев. Решение об удовлетворительности значения частного критерия, принимается на основе анализа совокупности значений критериев находящихся с ним в связке.

Проведенный анализ показал, что предложенная человеко-машинная процедура для принятия конструктивного решения на этапе аванпроектирования, основанная на принципах лексикографического упорядочивания, является не только корректной с точки зрения сложности выполняемых ЛПР операций, но и учитывает характерные особенности задачи принятия конструктивного решения в САПР.

Глава IV. Адаптация иптегрипованиой САПР/САИТ модулей ЭВА к объекту проектирования.

Создание подсистемы адаптации интегрированной САШ'/САЙГ модулей ЭВА направлено на обеспечение автоматизаций выбора наиболее эффективных программных средств реализации этапа технического проектирования с учетом особенностей конкретного проектного решения на начальном этапе проектирования.

Построение методики выбора рациональных алгоритмов решения коммутационно - монтажных задач базируется на анализе информации о метрических, топологических, схемотехнических параметрах и ограничениях учитываемых различными методами с учётом их эксплутационных характеристик.

Проведенный обзор и анализ подходов к решению указанной задачи с учетом особенностей этапа технического проектирования

в САПР/САЙТ ЭВА позволил сделать следующие выводы. Реализация подсистемы адаптации на основе аппарата искусственных нейронных сетей связана с проблемой некорректности заданий начальных значений весов сети, проблемами локальных минимумов, паралича сети, временной неустойчивости, пластичности и стабильности сетей.

При этом эффективные средства разрешения указанных проблем в рамках решаемой задачи могут быть предложены лишь для проблемы локальных минимумов. Так же недостатком указанного подхода является неспособность сети "объяснить" как она решает задачу, что приводит к появлению недоверия конструктора к качеству принимаемых подсистемой решений.

Другой подход к решению поставленной задачи основывается на применении теории и методов экспертных систем. Однако принципиальная сложность реализации указанного подхода связана с тем, что в сфере промышленного производства при решении задач, связанных с вопросами реализации печатного монтажа, "знания" фактически сводятся к набору различных фрагментов, идей и разрозненных положений, что приводит к противоречивости мнений экспертов о предполагаемом решении.

Альтернативный и наиболее эффективный подход связан с теорией распознавания. Принципиальная реализуемость данного подхода базируется на разработанном аппарате прогностической оценки метрических и топологических параметров объекта проектирования.

Алгоритм синтеза подсистемы распознавания технических решений базируется на решении следующих задач:

- формирование и оптимизация признакового пространства;

- обучение системы, описание эталонов классов

- принятие решения ( выбор эффективного алгоритма реализации проектной процедуры).

Выбор метода распознавания обусловлен особенностями информации, используемой в процессе распознавания проектного решения в САПР/САИТ ЭВА на этапе аванпроектирования. Проведенное сопоставление наиболее распространенных методов, показало, что предпочтительным методом, обеспечивающим полное адекватное описание исследуемых объектов с учётом всех ограничений, в частности малый объём априорной информации, ограниченный размер обучающей выборки и дестабилизирующих факторов, позволяющим количественно выразить показатель

качества подсистемы адаптации (достоверность предложенного решения) является метод распознавания объектов, основанный на теории статистических решений.

Решение задач этапа априорной обработки информации в САПР /САЙТ модулей ЭВА целесообразно вести, исходя из условий задачи, а именно - исходя из о!раничений, накладываемых на метрические, топологические и схемотехнические параметры модулей, что определяет состав коммутационно - монтажных процедур и особенности их реализации при проектировании модулей данного класса. Классы коммутационно - монтажных задач выделяются в соответствии с :

- различиями типов коммутационно - монтажных задач на этапе технического проектирования

различий в используемых, в рамках конкретной задачи проектирования, вычислительных методах и процедурах.

Сбор информации, формирующей пространство наблюдений происходит тремя способами: диалог с пользователем, использование результатов разрабатываемых аналитических методов оценки метрических и топологических параметров модулей, анализ статистической информации.

Задача описания всех классов на языке апрцорногс словаря признаков решается на основе анализа наиболее распространённых четырех классов алгоритмов компоновки, 11 классов алгоритмов размещения и 8 классов алгоритмов решения задачи трассировки.

Методом эмпирического сравнении оценок качества и аналитическим исследованием целевых функций алгоритмов, выявлены параметры и их значения, при которых применение данного алгоритма даёт максимум целевой функции среди всех рассматриваемых алгоритмов.

Поскольку задача распознаваний технических решений на этапе аванпроектирования является по своей природе многоальтернативной и априоре неопределенной, из всего множества известных критериев качества распознавания выбран критерий максимального правдоподобия: принимается решение Хп е , если

Л

\У1 ОСЛ _ _ > 1 ал*всехг = 1.к.г#1.

01=г_-

\VrOM

л л

где \Уг(Хп), \У1(Хп) - оценка плотности вероятности для классов 1,г полученная по классифицированным обучающим выборкам.

Данный критерий допускает достаточно простое и транзитивное обобщение на многоальтернативный случай.

Таким образом, в качестве алгоритма реализации системы адаптации САПР/САЙТ к объекту проектирования, выбран метод многоальтернативного распределения многомерных образов. Оценка неизвестных параметров происходит из допущения о нормальности распределения представленных образов (параметрическое оценивание).

В дальнейшем решение о классификации объекта сводится к определению вероятностной меры близости объекта распознавания к тому или иному эталону класса. К преимуществам выбранного алгоритма относятся:

- близость к образу мышления конструктора

- возможность наиболее полно отразить тонкую структуру и все особенности проявления распознаваемых объектов с учетом априорной неопределённости и наличия дестабилизирующих факторов

- возможность оценить и произвести аналитический расчет основного показателя качества - достоверности распознавания.

Минимизацию исходного описания образов в системе распознавания технических решений в САПР/САЙТ ЭВА целесообразно реализовать на основе метода максимизации дивергенции. Для каждой пары классов методом максимизации дивергенции ранжируются признаки объектов, предложенных для распознавания. Рассматривая полученные результаты в комплексе, для всех классов одновременно, выбирается такая система признаков, при применении которой потери различительной информации не превышают заданные значения.

Построение эталонных описаний классов объектов базируется на вычислении выборочных средних и дисперсии по классифицированным обучающим выборкам.

Для оценки вероятностей ошибок классификации при ограниченных размерах обучающих выборок целесообразно использовать статистический эксперимент по методу Монте -

Карло. Следует отметить, что вычисляемые параметры достоверности принимаемого решения при этом не являются точными значениями, а представляют собой их оценки.

Глава V, Разработка программного обеспечении автоматизированной подсистемы поддержки принятия конструктивных решений в САПР ЭВА.

В главе рассмотрены вопросы практической реализации разработанных методов оценки и оптимизации метрических и топологических параметров модулей ЭВА. Формулируются принципы построения и требования, предъявляемые к автоматизированной подсистеме поддержки принятия конструктивных решений (СППР) в САПР/САИТ ЭВА, описаны основные ее компоненты и принципы их реализации, включая принципы информационной, вычислительной и интеллектуальной поддержки.

Проводится анализ трех альтернативных подходов к построенито СППР.

1. Подход основанный на принципах искусственного интеллекта и методах построения экспертных систем.

2. Реализация формальных теоретико-расчетных методов и процедур, построенных на основе анализа математических моделей объекта проектирования.

3. Разработка гибридного подхода, позволяющего объединить возможности формальных методов с эффективными неформальными процедурами принята решений.

Можно выделить следующие основные требования, предъявляемые к подсистеме поддержки принятия базового конструктивного решения в САПР ЭВА:

- достоверность получаемых результатов, то есть полученные оценочные значения критериев качества конструктивного решения модуля в ходе формирования базового варианта, должны соответствовать численным значениям соответствующих критериев, получаемых далее на пракгике, в ходе автоматизированного решения конкретных коммутационно-монтажных задач в САПР;

- универсальность как с точки зрения возможности анализа метрических и топологических параметров модулей достаточно широкого спектра разрабатываемых устройств, так и с точки

зрения адаптации к особенностям алгоритмов решения коммутационно-монтажных задач в интегрированной САПР;

экономичность с точки зрения объема программной реализации системы;

- простота информационного интерфейса с пользователем, позволяющая работать с подсистемой как руководителю проекта, так и инженеру-конструктору;

- время процесса формирования базового решения должно быть сопоставимо с временем решения коммутационно-монтажных задач в САПР, то есть время генерации допустимого варианта решения должно быть гораздо меньше времени выполнения необходимого количества итерационных циклов для решения заданной последовательности коммутационно-монтажных задач.

Проведенный анализ альтернативных путей построения указанной подсистемы, с учетом вышеизложенных требований, показал, что наиболее предпочтительным является гибридный подход, в основе которого лежат следующие основные принципы:

1. Технология принятия конструктивных решений в САПР должна быть ориентирована как на персональный уровень руководителя, так и на групповой уровень принятия решений, в основе которого лежит использование информации экспертов.

2. Интерактивный характер принятия решений.

3. Организация информационной поддержки решений (ориентированной на широкий круг пользователей, включая руководителя проекта, аналитиков, экспертов) на основе использования лингвистического процессора для проблемно-ориентированной коммуникацией между пользователем и подсистемой, использование "справочной таблицы" для регистрации промежуточных результатов.

В "справочной таблице" приводится сценарий решения поставленной задачи, включая описание множества критериев оптимизации и используемых ограничений, информация о ходе решения задачи, включающая описание шагов ожидающих выполнения, а также варианты конструктивного решения, выдвинутые подсистемой в качестве возможных.

4. Организация вычислительной поддержки решений на основе принципа структурного моделирования на базе комплекса проблемно-ориентированных теоретико-расчетных моделей и методов, обеспечивающих адаптацию системы к конкретной задаче проектирования.

5. Ориентация и использование возможностей персональных ЭВМ и инженерных рабочих станций, обладающих развитым пользовательским интерфейсом.

6. Наличие интеллектуальной поддержки решений. Интеллектуальная поддержка решений базируется па трех основных компонентах: языковом процессоре, процессоре проблем и подсистеме знаний, содержащей конструктивно-технологические и процедурные знания.

7. Модульность и открытость системы, позволяющие осуществить эффективное взаимодействие подсистемы с другими СППР и проектирующими подсистемами в рамках единой САПР/САИТ высокого уровня.

Организация программного комплекса позволяет реализовать стратегию "пошагового" и "обобщенного" анализа проектного решения. При стратегии "пошагового" анализа производится прогностическая оценка результатов конкретного этапа конструкторского проектирования: компоновки, размещения или трассировки, а затем его выполнение. Данная стратегия позволяет производить уточнение математическое модели ОП в ходе процесса проектирования на основе результатов проведения предыдущих этапов. Стратегия "обощенного" анализа построена на одновременной оптимизации параметров, характеризующих этапы компоновки, размещения и трассировки, и позволяет производить прогностическую оценку результатов этапа конструкторского проектирования в целом. Структура системы поддержки принятия конструктивных решений представлена на рис. 2

Ядром СППР является процессор проблем. Реализация процессора проблем отражает принцип системного подхода при проектировании модулей ЭВА и базируется на формализации и анализе интегральной пространственной модели процесса конструкторского аванпроектирования, отражающей

взаимодействие основных информационных потоков и общую технологию технического проектирования конструктивно-функциональных модулей в САПР. По-существу процессор проблем выполняет функцию транслятора описания проблемной ситуации в общий сценарий и рекомендации по ее разрешению с учетом системных, когнитивных и функциональных факторов, на основе взаимодействия с базой знаний подсистемы, реализующей методику ситуационного моделирования. Концепция

интеллектуальной поддержки подсистемы, включая процессор проблем, модуль генерации математической модели, компиляторы моделей и модули генерации моделей оптимизации связана с реализацией уровней продукций.

Основным компонентом модуля анализа и интерпретации результатов является блок анализа и выбора эффективных алгоритмов реализующих коммутационно-монтажные процедуры в САПР, построенный на принципах распознавания образов и реализующий алгоритм классификации образов по критерию минимума расстояния.

Общий алгоритм функционирования СППР модулей ЭВА показан на рис. 3

В Заключении обобщены основные результаты работы.

В Приложении приведены результаты экспирементальных исследований предложенных методов, а также акты внедрения результатов диссертационной работы на промышленных предприятиях и в учебном заведении.

Пользователь

База методов _______1

принятия

решений

(оеттшкмхш*)

Основные результаты работы

1. Анализ базовых технологий проектирования в системах САПР/САЙТ изделий электронно-вычислительной техники показывает, что эффективное их использование может быть достигнуто лишь при решении проблемы комплексной автоматизации начального этапа проектирования, так называемого аванпроекгирования, теория и методы решения которой составляют базис прогрессивных систем САПР.

2. Проведенный анализ особенностей реализации этапа конструкторского проектирования в интегрированных САПР, а также анализ конструкi ивно-техиологичсских параметров модулей современной ЭВА показал, что в связи с возрастанием сложности разрабатываемых модулей, ведущей к увеличению количества итерационных циклов при реализации коммутационно-монтажных процедур, особенно актуальна задача предварительной оценки и выбора альтернативных вариантов конструктивного решения на этапе аванпроекгирования.

3. Предложена и обоснована слипая методологическая база исследования оценки эффективности и автоматизированного принятия конструктивных решений модулей ЭВА на ранних стадиях жизненного цикла изделия с учетом особенностей последующей реализации коммутационно-монтажных процедур в САПР.

4. Разработана интегральная пространственная модель процесса конструкторского аванпроекгирования, отражающая основные информационные связи и общую технологию проектирования в рамках общей концепции проектирования модулей ЭВА в системе комплексной автоматизации производства.

5. Показано, что наиболее перспективный подход к автоматизации этапа аванпроектирования в системе комплексной автоматизации производства связан с поиском путей эффективного взаимодействия формальных методов с неформальными процедурами выбора базового проектного решения модуля ЭВА и разработкой целостного математического описания модуля на основе структурированного объединения математических моделей в соответствии с уровнями детализации проектного решения модуля в САПР.

6. Сформулированы основные задачи разработки формальных методов и процедур прогностической оценки и

автоматизированного принятия конструктивного решения в САПР на основе результатов схемотехнического проектирования, анализа особенностей алгоритмов решения коммутационно-монтажных задач и требований технического задания.

7. Проведен анализ существующих математических моделей и методов для прогностической оценки параметров конструктивно-функциональных модулей ЭВА с точки зрения возможности построения на их основе процедуры поиска удовлетворительного конструктивного решения на стадии аванпроектирования.

8. Разработана многоуровневая конвеерная сетевая математическая модель конструктивно-функционального модуля для решения задач прогностической оценки и выбора метрических и топологических параметров модулей ЭВА на этапе аванпроектирования, отражающая процесс последовательной детализации ОП в ходе процесса проектирования и включающая следующие основные элементарные сетевые математические модели:

- математическую модель для оценки средней длины межэлементных связей, учитывающую критерий размещения элементов на коммутационном поле;

- математическая модель для оценки габаритных размеров конструктивно-функционального модуля, обеспечивающих успешное решение коммутационно-монтажных задач на этапе конструкторского проектирования, учитывающую топологическую сложность структуры взаимосвязей элементов и среднюю длину межэлементных соединений на коммутационном поле;

- математическую модель для оценки числа межслойных переходов, образующихся при трассировке сигнальных соединений в ортогональной сетке каналов, основанную на анализе плотности непересекающихся отрезков сигнальных соединений в каналах трассировки.

9. Предложена методика принятия решений в условиях неопределенности, основанная на структуризации модели объекта проектирования и построении гибридной модели, представляющей собой компиляцию теоретике - расчётных аналитических моделей и искусственных нейронных сетей.

10. Предложена оригинальная методика выбора рациональных алгоритмов решения коммутационно - монтажных задач в системе сквозного автоматизированного проектирования модулей ЭВА на основе методов и средств теории распознавания образов.

11. Проведен обзор и анализ существующих человеко-машинных процедур принятия решения в условиях многокритериальное™ с учетом специфики задачи выбора конструктивного решения в САПР/СЛИТ.

12. Предложен и реализован интерактивный метод принятия конструктивного решения на этапе аваппросктирования, позволяющий производить анализ и выбор альтернативных вариантов проекта на основе процедур лексикографическою упорядочения.

13. Проведенный анализ альтернативных путей реализации автоматизированной подсистемы поддержки принятия базового концептуального решения модуля позволил разработать состав и структуру программного комплекса, обеспечивающего стратегии "пошагового" и "обобщенного" анализа объекта проектирования на основе эффективного взаимодействия разработанных интеллектуальных средств поддержки процесса принятия решения, и средств информационно - вычислительной поддержки на базе предложенного комплекса инструментальных средств для решения задач прогностической оценки и поиска рационального варианта базового концептуального решения модуля ЭВА.

14. Разработано и реализовано на IBM PC алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной подсистемы поддержки принятия конструктивных решений, позволяющей производить предварительный анализ и выбор альтернативных вариантов на стадии аванпроектирования.

15. Внедрение разработанных в диссертационной работе методов прогностической оценки и поиска удовлетворительного конструктивного решения, а также реализующего их программного обеспечения позволило повысить качество и сократить сроки разработки модулей электронной аппаратуры на базовых предприятиях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Вишнеков A.B., Маслов Н.Г. Метод оценки трассируемости печатных плат с большими интегральными схемами /Деп. в ВИНиТИ 05.12.84 № 8278-84 2. Вишнеков A.B., Маслов Н.Г. Метод оценки конструктивных параметров БИС//Разработка и применение в народном

хозяйстве ЕС ЭВМ: Тез.докл. Всесоюзной школы - семинара. -М., 1985

3. Вишнеков A.B., Маслов Н.Г. Метод оценки площади печатных плат с большими интегральными схемами /Деп. в ВИНиТИ 21.05.85 №3951-85

4. Вишнеков A.B., Шапкин Ю.А. Метод определения средней длины печатных плат с большими интегральными схемами//Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем: Тез.докл. Всесоюзной научной конференции. - М., 1985

5. Вишнеков A.B., Маслов Н.Г. К вопросу об оценке конструктивных параметров матричных БИС//Разработка и внедрение в народное хозяйство систем автоматизированного проектирования: Тез.докл. Всесоюзной школы семинара. -Ереван, 1986

6. Вишнеков A.B., Маслов Н.Г. Система автоматизации расчета метрических и топологических параметров модулей ЭВА//Разработка и внедрение в народное хозяйство ЕС ЭВМ: Тез.докл. Всесоюзной школы семинара. - М., 1987

7. Вишнеков A.B. Экспертный анализ проектного решения в САПР РЭА в системе комплексной автоматизации производства//Современные технологические процессы в приборостроении: Тез.докл. научно-технической конф. - М.,

1987

8. Вишнеков A.B. Автоматизированный синтез конструкторского решения в САПР ЭВА/ /Посвященной Дню радио: Тез.докл. XIV научно - технической конф. - М.,

1988

9. Вишнеков A.B., Маслов Н.Г., Шапкин Ю.А. Параметрический синтез конструкторского решения в САПР ЭВА//Проектирование вычислительных машин и систем: Межвузовский сборник, - Рязань, 1989

ю. Вишнеков A.B., Маслов Н.Г. Компоновка и размещение элементов микропроцессорных схем на

БМК//Микропроцессорные средства локальной автоматики: Тез.докл. Всесоюзной научно-техн.конф. - Гродно, 1989

11. Вишнеков A.B. К вопросу о выборе конструктивно-технологических параметров модулей ЭВА в САПР//Автоматизация и интеллектуализация

проектирования систем автоматического управления: Всесоюзная научно-техн.конф. - Ростов Великий, 1990 12 Вишнсков Л.В. Принципы построения подсистемы принятия конструктивного решения в САПР ЭВА/ /Автоматизация проектирования вычислительных машин и систем: Всероссийская научно-техн.конф. - Пенза, 1990

13. Вишнеков A.B., Маслов Н.Г., Наумова НИ. Выбор конструктивных решений на стадии аванпроектирования в САПР ЭВМ//Автоматизация проектирования

вычислительных маптин и систем: Межвузовский сборник научных трудов - Рязань, 1990 и. Вишнеков A.B., Восков С.Л., Маслов Н.Г., Пустырев В.А. Предварительная оценка метрических и топологических параметров конструктивно - функциональных модулей на этапе конструкторского проектирования в САПР ЭВА//МИЭМ - М.,1990 15. Вишнеков A.B., Шапкин Ю.А. Автоматизированная подсистема прогностической экспресс - опенки конструктивно - технологических параметров модулей при выполнении коммутационно - монтажных процедур в САПР ЭВА//Микросистема - 91: Всесоюзная научно-техн.конф. -Суздаль, 1991

16 Вишнеков A.B., Жданов B.C., IПанкин Ю.А. Автоматизированная подсистема принятия конструктивных решений модулей ЭВА в САПР//Пути повышения интеллектуализации САПР: Всесоюзный научно-техн.семинар - Симферополь, 1991

17. Вишнеков A.B., Шапкин Ю.А. Программный комплекс автоматизированной подсистемы принятия конструктивных решений в САПР ЭВА//Анализ и проектирование программного обеспечения и аппаратных средств вычислительных систем и сетей ЭВМ для САПР, ГАП и АСУ: Межвузовский сборник научных трудов - М., 1991

18. Вишнеков A.B., Маслов Н.Г., Наумова Н И. Математическая модель для оценки конструктивно - технологических параметров модулей ЭВА в САПР/ /Анализ и проектирование программного обеспечения и аппаратных средств вычислительных систем и сетей ЭВМ для САПР,

ГАП и АСУ: Межвузовский сборник научных трудов -М.,1991

19. Вишнеков A.B., Кованов К.С. Адаптация сквозной интегрированной САПР модулей ЭВА к объект)' проектирования//Микросистема - 93: Тез.докл. научно -техн.конф. - М., 1993

20. Вишнеков A.B., Маслов Н.Г. Декомпозиция схемы с учетом ограничений//Системы автоматизированного проектирования ЭВМ: Методические указания по выполнению лабораторной работы. МГИЭМ - М.,1993

21. Вишнеков A.B., Кованов К.С., Леохин Ю.Л. Программный комплекс для расчета параметров средств сопряжения распределенных управляющих вычислительных систем//Микросистема - 93: Тез.докл. научно-технической конф.-М.,1993

22. Вишнеков A.B., Жданов B.C. Методы поддержки принятия решений при формировании базового проектного решения в САПР ЭВА//Интеллектуальные информационные технологии в принятии решений: Мат.докл. первого Российско - Германского симп. - М.,1995

23. Вишнеков A.B., Шапкин Ю.А. Разработка средств повышения эффективности САПР спецмодулей ЭВА//1П научно-техн.конф.: МГИЭМ - М.,1995

24. Вишнеков A.B., Жданов B.C. Анализ базовых технологий проектирования в открытых системах САПР /САЙТ изделий электронно - вычислительной техники//Развитие ' и применение открытых системах: Тез.докл.Ш международной конф.-М., 1996

25. Вишнеков A.B., Жданов B.C., Леохин Ю.Л., Матвеев A.B. Применение аппарата нейронных сетей при моделировании в САПР/САИТ ЭВА//Новые информационные технологии и системы: Тез.докл. Пмеждународной конф. - Пенза, 1996

26. Вишнеков A.B. Концептуальные вопросы автоматизации начального этапа проектирования в САПР/САИТ модулей ЭВА//Новые информационные технологии и системы: Тез.докл. Пмеждународной конф. - Пенза, 1996

27. Вишнеков A.B., Жданов B.C. Автоматизация проектирования систем на базе электронных модулей//Новые информационно-методологические среды в

подготовке и переподготовке кадров по информатике: м<и\докл. И Российско-Германского симпозиума - М., 1996

28 Вишнеков A.B., Шапкин Ю.А. Обучающая система для пользователей САПР/САЙТ ЭВА//Информационные технологии в образовании: Тез.докл. V международ[юй конф,-выст.-М., 1996

29 Вишнеков A.B. Проблемы создания обучающих систем в облает разработки модулей ЭВА в САПР/САЙТ// Информационные технологии в образовании: Тез.докл. V международной конф.-выст. -М., 1996

30. Вишнеков A.B. Актуальные проблемы расширения функциональных возможностей САИР/САИТ изделий электронно-вычислительной техники//Автоматизация и современные технологии, № 2 - М., Машиностроение, 1997

31. Вишнеков A.B., Матвеев В.А. Нейросетевая реализация оценки проектных параметров модулей ЭВА в САПР/САЙТ//'Нейрокомпьютеры и применение: Тез.докл. П1 Всероссийской конф., НКП-97 - М„ 1997

32. Вишнеков A.B., Матвеев В.А. Проблемы автоматизации концептуального проектирования в САИР/САИТ ЭВА// Автоматизация и современные технологии, № 11 - М., Машиностроение, 1997



/9

X

W 1

J •/ í

MX*

глук i:

Hâ<: v^mi упразлекия ВАК России

" ' г". У ~ i

If

______i

-i-

Министерство общего и профессионального образования РФ Московский Государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

На правах рукописи

ВИШНЕКОВ Андрей Владленович

УДК 621.3.049.77

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ БАЗОВЫХ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ МОДУЛЕЙ ЭВА В САПР

Специальность 05.13.12 - " Системы автоматизации проектирования "

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени доктора технических наук

научный консультант: доктор технических наук, профессор В.С. Жданов

/

МОСКВА 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................9

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ФОРМИРОВАНИЯ БАЗОВОГО ПРОЕКТНОГО РЕШЕНИЯ МОДУЛЯ ЭВА В

САПР НА СТАДИИ АВАНПРОЕКТИРОВАНИЯ...............Н

1.1 Обзор и анализ методов повышения эффективности

САПР ЭВА.........................................................................24

1.1.1 Стратегия автоматизированного интегрированного производства................................................................2.1

1.1.2 Анализ базовых технологий проектирования в системах САПР/АСТПП/САИТ изделий электронно-вычислительной техники.............................................

1.1.3 Современные тенденции развития САПР/АСТПП/САИТ ЭВА на базе общей теории проектирования..........................................................

1.2 Интеграция процессов анализа и проектирования в

САПР/САИТ ЭВА..............................................................№

1.3 Методика автоматизированного проектирования моду-

лей ЭВА в САПР/САИТ в системе автоматизированного

интегрированного производства........................................^

1.4 Постановка задачи формирования базового конструктивного решения модуля ЭВА на этапе аванпроектиро-вания....................................................................................59

1.5 Методика решения задачи синтеза конструкции модуля ЭВА на этапе аванпроектирования...................................£2.

1.5.1 Построение математической модели конструктивно-функционального модуля................ .......................63

1.5.2 Нейросетевая реализация задачи оценки метрических и топологических параметров модуля................6£

1.5.3 Формирование оптимизационной задачи.................73

1.5.4 Выбор метода решения оптимизационной задачи....??

ВЫВОДЫ................................................................................................82-

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИКО-РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ПРОГНОСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ МЕТРИЧЕСКИХ И ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКТИВНО-

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ЭВА.............................&

2.1 Обзор и анализ методов прогностической оценки метрических и топологических параметров конструктивно-функциональных модулей ЭВА..........................................ВН

2.1.1 Методы прогностической оценки метрических и топологических параметров конструктивно-функциональных модулей 1 уровня............................Вк

2.1.2 Методы прогностической оценки метрических и топологических параметров конструктивно-функциональных модулей 2 уровня............................96

2.2 Методика прогностической оценки средней длины межэлементных связей............................................................^

2.3 Оценка суммарной длины полупериметров зон реализации цепей............................. ................................................12*

2.4 Оценка суммарной площади зон реализации цепей..........¿2$

2.5 Методика прогностической оценки габаритных размеров конструктивно-функционального модуля...................

2.5.1 Построение графовой модели....................................¿2?

2.5.2 Определение веса вершины графовой модели...........

2.5.3 Определение веса ребра графовой модели................

2.5.4 Оценка числа пересечений межэлементными соединениями вертикальных и горизонтальных сечений конструктивно-функционального модуля..................¿35

2.5.5 Оценка числа транзитных проводников...................М

2.5.6 Влияние расположения внешних выводов модуля на плотность проводников в вертикальных и гори-

зонтальных сечениях....................................................L51

2.5.7 Оценка габаритных размеров коммутационного

поля...............................................................................iSf

2.6 Методика прогностической оценки количества меж-слойных переходов..............................................................

2.6.1 Оценка суммарной длины сигнальных соединений.. tS9

2.6.2 Оценка плотности непересекающихся отрезков соединений в канале трассировки...................................Í&9

2.6.3 Оценка количества межслойных переходов...............ttk

ВЫВОДЫ................................................................................................ш

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ И ПРИНЯТИЯ ПРОЕКТНОГО РЕШЕНИЯ...........................................................

3.1 Классификация методов решения задачи оптимизации

конструктивного решения в условиях определенности.....47<?

3.1.1 Обзор интерактивных методов многокритериальной оптимизации.........................................................

3.1.1.1 Интерактивные методы комплексной оценки вариантов............................................................

3.1.1.1.1 Методы, не требующие ранжирования критериев.....................................................L87

3.1.1.1.2 Методы, основанные на информации

о допустимых значениях критериев............ÍS3

3.1.1.1.3 Методы иерархического упорядочения вариантов на заданном множестве критериев.....................................................

3.1.1.1.4 Методы, основанные на количественном выражении предпочтений ЛПР на множестве критериев...................................193

3.1.1.2 Интерактивные методы векторной оптимизации........................... ..........................................2 оо

3.1.1.2.1 Интерактивные методы, основанные

на информации о мерах замещения............201

3.1.1.2.2 Интерактивные методы, основанные

на информации об уровнях критериев.......£05

3.1.1.2.3 Методы, основанные на выборе решения из множества предварительных решений.......................................................2.02

3.1.2 Обобщенный анализ существующих интерактивных методов многокритериальной оптимизации......

3.1.3 Разработка метода оптимизации конструктивного

решения в условиях определенности...........................<

3.2 Принятие базового проектного решения в условиях неопределенности..................................................................

3.2.1 Методика формирования множества рациональных

вариантов проектного решения..................................

3.2.1.1 Анализ особенностей решения задачи на этапе аванпроектирования......................................8

3.2.1.2 Основные этапы решения задачи выбора базового проектного решения...............................231

3.2.1.3 Поиск вариантов проектного решения, подлежащих рассмотрению......................................5*

3.2.1.4 Формирование и расчет платежной матрицы..23? 3.2.2 Выбор базового проектного решения........................

3.2.2.1 Обзор способов оценки альтернативных ва-- риантов проектного решения.............................2Л0

3.2.2.1.1 Методы экспертных оценок.................2Л0

3.2.2.1.2 Нечеткие модели принятия решения.... 253

3.2.2.1.3 Метод анализа иерархий......................26Ь

ВЫВОДЫ...............................;................................................................263

ГЛАВА 4. АДАПТАЦИЯ СКВОЗНОЙ ИНТЕГРИРОВАННОЙ САПР МОДУЛЕЙ ЭВА К ОБЪЕМУ ПРОЕКТИРОВАНИЯ...........................................................................................

4.1 Особенности задачи адаптации САПР ЭВА на этапе

аванпроектирования........................ ...................................

4.1.1 Адекватность метода решаемой задаче.....................2SS

4.2 Возможные пути реализации систем адаптации интегрированных САПР/САИТ модулей ЭВА...............................W

4.2.1 Обзор существующих методов распознавания.........&SI

4.2.1.1 Детерминированный подход...........................2.BL

4.2.1.2 Логические методы распознавания..................

4.2.1.3 Метод вычисления оценок (ABO)....................Ь&к

4.2.1.4 Метод использования лингвистических (синтаксических) методик...................................185"

4.2.1.5 Статистический подход....................................

4.3 Этап обработки априорной информации..........................

4.3.1 Разработка априорного алфавита классов объектов.......................................................................

4.3.2 Построение априорного признакового пространства (априорного словаря признаков)............................2

4.3.3 Описание классов на языке априорного словаря признаков.....................................................................

4.3.4 Проверка нормальности распределения признаков..299

4.3.4.1 Проверка нормальности одномерной выбор- ки (р—1)................................................................30Í

4.3.4.2 Проверка нормальности многомерной выборки (р>1)..........................................................304

4.4 Обоснование и выбор метода.............................................305*

4.5 Выбор критериев эффективности алгоритма.....................3il

4.6 Минимизация исходного описания в системе распознавания технических решений в САПР ЭВА.........................3í£

4.6.1 Эвристические алгоритмы................. .........................т

4.6.2 Математические модели.............................................34.6

4.6.2.1 Выбор признаков при помощи максимизации

дивергенции........................................................318

4.7 Обучение системы распознавания................................32.6

4.7.1 Построение эталонных описаний классов.................32,6

4.7.2 Эталонные описания многомерных нормальных

совокупностей..............................................................32, ?

4.7.2.1 Алгоритм построения эталонных описаний '

классов для многомерных нормальных совокупностей............................................................32,5

4.7.3 Принятие решения. Многоальтернативное распознавание многомерных образов..................................329

4.7.3.1 Алгоритм принятия решения о принадлежности выборки какому-либо классу.......................

4.8 Оценка эффективности алгоритма.....................................Э31

ВЫВОДЫ................................................................................................338

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ В САПР ЭВА.............................................339

5.1 Основные формы поддержки принятия проектных решений на этапе аванпроектирования......................................339

5.1.1 Информационно-вычислительная поддержка решений................................................................................339

5.1.2 Интеллектуальная поддержка решений.....................ъкО

5.2 Выбор метода реализации подсистемы поддержки принятия конструктивных решений в САПР/АСТПП/САИТ ЭВА......................................................................................ЗЫ

5.3 Состав и структура программного комплекса...................3^7

5.4 Исходные данные и способы представления результатов анализа конструктивного решения.....................................35?

5.5 Результаты экспериментального исследования разработанного программного обеспечения..................................36.Г

ВЫВОДЫ................................................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................374

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................3*5*

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ ПРОГНОСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ МЕТРИЧЕСКИХ И ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ......

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ИНТЕРАКТИВНЫХ МЕТОДОВ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ

ОПТИМИЗАЦИИ........................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА АЛГОРИТМОВ

РЕШЕНИЯ КОММУТАЦИОННО-МОНТАЖНЫХ

ЗАДАЧ...........................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.....................................

ВВЕДЕНИЕ

Серьезные достижения в области разработки средств автоматизированного проектирования и систем автоматизации инженерного труда ( САЙТ ) в рамках системы комплексной автоматизации производства позволяют определить это направление развития электронной промышленности как одно из наиболее результативных в настоящее время.

Развитие систем комплексной автоматизации производства требует решения комплекса сложных научно-технических проблем, связанных как с собственно с разработкой систем, предназначенных для проектирования и производства конкретных объектов, так и с эффективностью применения этих "систем для решения практических задач в рамках целостной технологии автоматизированного проектирования и производства.

Системы автоматизации проектирования и производства в масштабах предприятия за рубежом принято определять как CAD/CAM/CAE-системы [1]. Функции автоматизированного проектирования принимают на себя CAD (Computer Aided Design)-системы, системы САМ (Computer Aided Manu Facturing) служат для технологической подготовки производства, а модули CAE (Computer Aided Engineering) выполняют инженерные расчеты и анализ проектных решений. Таким образом CAD/CAM/CAE-системы производят комплексную автоматизацию работ на всех стадиях цикла проектирования и изготовления изделия.

Одним из главных преимуществ CAD/CAM/CAE-систем 3-го поколения становится возможность совмещения во времени большинства стадий автоматизированного проектирования и производства, т.е. становится возможной одновременная работа разных специалистов (инженеров, конструкторов, технологов) над одним проектом.

В настоящее время наиболее актуальными в рамках развития САБ/САМ/САЕ-систем изделий электронной техники, становятся вопросы связанные с развитием, интеграции процессов проектирования, конструирования и производства изделия, выбором эффективных стратегий проектирования и производства на начальном этапе проектирования на основе комплексного анализа и оптимизации базового концептуального решения проектируемого объекта [2].

Реалии экономической жизни ставят также и перед отечественными производителями задачу коренного изменения технологии проектирования. Только внедрение современных САО/САМ/САЕ-систем или систем автоматизированного интегрированного производства (САИП), позволяющих обеспечить нужное качество проектирования, свободного от наличия дорогостоящего процесса повторения циклов проектирования и производства при доводке изделия, а также обеспечивающих сокращение сроков создания изделия и выполнения проекта с меньшими материальными затратами, меньшим коллективом разработчиков, позволяет обеспечить экономическое благополучие предприятия.

Технология проектирования модулей ЭВА в рамках системы комплексной автоматизации производства является важным аспектом автоматизированного проектирования, так как она формирует базис для разработки прогрессивных САПР. Анализ разрабатываемых в настоящее время высокосложных методов и средств САПР свидетельствует о том, что наиболее перспективными и базовыми технологиями проектирования становятся тесно связанные между собой технологии сквозного, нисходящего и параллельного проектирования модулей ЭВА, что требует значительных усилий в направлении развития теории и методов автоматизации начального этапа проектирования или этапа концептуального проектирования. Включение сквозной интегрированной САПР в систему комплексной автоматизации производства (СКАП), требует такой методики проектирования, которая

обеспечила бы уже на самых ранних этапах правильный выбор основных параметров конструкции и оценку различных характеристик ее качества с учетом задач планирования, производства и управления технологическими процессами, так как этап конструкторского проектирования фактически предшествует стадии производства и ошибку, допущенную на данном этапе, уже не исправить совершенством остальных компонентов СКАП.

Решение данной проблемы может быть получено путем разработки и включения в САПР комплекса инструментальных средств' для исследования и выбора эффективных стратегий проектирования, позволяющих сформировать рациональную концепцию базового проектного решения модуля с учетом особенностей реализации последующих проектных процедур компоновки, размещения и трассировки, а также требований и ограничений технического задания (ТЗ). Применение указанных инструментальных средств позволит также на начальном этапе проектирования выработать глобальные и локальные правила проектирования, обеспечивающие повышение надежности модулей и процента выхода годных интегральных схем.

Таким образом, задачи развития основ теории и методов формирования основополагающих характеристик базового проектного решения уже на стадии концептуального проектирования, определения состава и параметров необходимых инструментальных средств, выработки эффективных подходов к интеграции процессов анализа и проектирования на основе внедрения технологий нисходящего, параллельного и сквозного проектирования в системе автоматизированного интегрированного производства несомненно являются актуальными на современном этапе.

Цель работы и задачи исследований

Целью работы является повышение эффективности САПР/САИТ модулей ЭВА, обеспечиваемое улучшением качества конструктивных решений, сокращением сроков и затрат при конструкторском проектировании, а также на этапе технологической подготовки производства, на основе комплекса методов и инструментальных средств автоматизации этапа концептуального проектирования в САПР.

Предметом защиты являются основные научные положения, методы, методики и математические модели, позволяющие осуществить этапы конструкторского аванпроектирования в САПР ЭВА и направленные на совершенствование общей методологической базы проектирования модулей ЭВА в САПР/САИТ.

Основные методы исследования

При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались принципы системного анализа, теории исследования операций, аппарат теории графов, теория кластерного анализа, аппарат теории вероятностей и математической статистики, элементы теории принятия решений, методы оптимизации, принципы распознавания образов и теория искусственных нейронных сетей. При прогр�