автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка подсистемы автоматизированного проектирования объектовых комплексов охранно-пожарной сигнализации



^ На правах рукописи

РОГАЧЕВ Юрий Константинович

РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВЫХ КОМПЛЕКСОВ ОХРАННО - ПОЖАРНОЙ СИГИАЛИЗАЦИИ

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисЕЛНие ученей степени кандидата технических наук

Воронеж -1998

Работа выполнена на кафедре "Системы автоматизированного проектирования и информационные системы" Воронежского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор РындинА.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Питолин В.М. кандидат технических наук, доцент Сумин В.И.

Ведущая организация: Воронежский

научно-исследовательский институт связи

Защита диссертации состоится " 20 " ноября 1998 г. в 14 часов на заседании диссертационного .совета Д 063.81.02 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026 г. Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан «ло» октября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Я.Е. Львович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ . Надежная защита собственности личности, общества и государства в большой степени определяется правил',ним выбором варианта охраны, который включает в себя определенно'структуры системы охраны, выбор количества зон контроля и технических средств охранной сигнализации. До определенного времени процесс выбора оптимального варианта системы охраны осуществлялся на основе ограниченного перечня технических средств охраны с детальными реко>:е«т»пгя'м:» по способам их размещения на обьекте, а использование частных иъ.и.иж конкретизированных рекомендаций по размещению технических срелстс охранной сигнализации на объекте приводило к однотипности структуры охраны к снижению ее эффективности.

В настоящее время ситуация во вневедомственной охране чзменчется в сторону существенного увеличения множества возможных вариантов системы охраны из-за расширения номенклатуры технических средств.

В этих условиях выбор элементного базиса и синтез структуры объектовых комплексов охранно-пожарной сигнализации (ОПС) осуществляется проектировщиком вручную, решение ряда вопросов проектирования остается субъективным, отсутствует общепринятый объективный критерий предпочтения при выборе состава объектового комплекса ОПС. Характериста*-;! приборов аппаратуры сигнализации, приводимые в тскничгскс-' гтн-.':ам а ■'. гн-струкциях по эксплуатации и среднему ремонту, не проектировщику объективно оцепить их свойства в реальны:- у- '^'- ч1, :<-".-плуатзиии и осуществить обоснованный зыбе;» состава разрроатч ¡смо! комплекса.

Поэтому научная актуальность темы диссертационного не; -*<»ъ->яя>тя продиктована необходимостью, разработки методики и средсчв »почьт'^и рованного проектирования комплексов ОПС на основе схемспгк^ич'я -о моделирования их подсистем с учетом условий эксплуатации охр-¡^»■'..": объекте и выбора рационального варианта организации ОПС на осиозд ч.ср малтовпиного объективного критерия предпочтения. Для реализации, но практике вариантного проектирования объектовых комплексов н.гоб<удима разработка соответствующей технологии и средств САПР.

Работа выполнена в соответствии с Концепцией развития вневедомственной охраны при органах внутренних дел Российской федерации , объявленной приказом МВД РФ № 499 от 06.09 1996 г. и одним из научных направлений ВГТУ - "САПР и системы автоматизации ппонзвслствэ'.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью работы шляется наработка и практическая реализация алгоритмов и средств моделирования и оп-

тимального выбора элементов объектового комплекса ОПС на основе интеграции САПР радиоэлектронных схем и программных средств оценки эффективности вариантов системы.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

провести анализ существующих САПР, которые могут быть использованы при автоматизированном проектировании системы ОПС;

выбрать базовую САПР .моделирования функционирования технических средств ОПС и определения их показателей;

разработать методику моделирования функционирования технических средств ОПС и определения их показателей;

разработать математические модели Элементов технических средств ОПС, методы идентификации их параметров для использования в базовой САПР;

разработать структуру и алгоритм функционирования подсистемы автоматизированного проектирования комплекса ОПС;

выбрать критерий количественной оценки качества синтезируемых вариантов системы ОПС и базовый метод принятия решений;

реализовать применение разработанных средств САПР в подсистеме проектирования комплекса ОПС и разработать алгоритмы выбора наилучшего варианта комплекса.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных задач в работе использовались принципы системного подхода, методы теории построения САПР, методы математического моделирования, теории вероятностей, принятия решений, исследования операций.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

структура подсистемы автоматизированного проектирования объектовых комплексов ОПС, отличающаяся наличием экспертных компонентов и использованием в качестве ядра САПР схемотехнического моделирования Design Center (PSpice) и позволяющая осуществлять выбор рационального состав комплекса;

модели оптоэлектронных компонентов приборов ОПС для использования в базовой САПР, отличающиеся применением аппарата макромоделирования и позволяющие учитывать при определении характеристик технических средств ОПС влияние помех в канале распространения сигнала;

алгоритм оценки эффективности объектового комплекса ОПС, отличающийся применением интегрального показателя типа "Трудность достижения цели", позволяющий совместно использовать как качественные, так и количественные характеристики;

алгоритмы выбора оптимального вбризнта комплекса ОПС, отличающиеся использованием настраиваемых вероятностей для управления перебором вариантов и позволяющие осуществлять выбор р. услоеччх неопределенности информации об используемых технических средствах ►< требований к системе ОПС.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. В работе предложена структура подсистемы автоматизированного проектирования объекторых комплексов ОПС на основе оценки вариантов по интегральному ттотазаттс кв>"*сгг?. типа "Трудность достижения цели". Для определения интегрально; -.ок;;;а-теля качества предложено проведение моделирования фунздаокарси^ая технических средств ОПС в реальных условиях эксплуатации при помощи САПР схемотехнического моделирования "Dssisn Center (PSp-V?)-'. f'ww. таны и реализованы математические модели опгико-ояекгрсшг.лх компонентов приборов ОПС для системы моделирования "Design Center (PSpice)", процедуры определения интегрального показателя качества и выбора оптимальной структуры объектового комплекса ОПС,

Созданные модели и алгоритмы позволяют реализовать выбор саги-мального варианта комплекса ОПС объекта в подсистеме автомгтизиромн-ного проектирования.

Результаты работы внедрены в учебный процесс Воронежской высшей школы МВД России, а также в отделе вневедомственной охра;::.' .при "„и.;«, ском РОВД г. Воронежа.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Разработанные в дчесершпш Te.-rv^r о и практические положения были доложены и получили одсОреик- с с щих конференциях и семинарах: 2 - ой Всероссийской научно - тг:*..р.*-ской конференции с международным участием " Акгуэяьк'.'- ¡.'-e^-.i твердотельной электроники и микроэлектроники (Див.чомпрс-чч- i). Всероссийской конференции "Повышение помехоустойчинеэти fini,M с. нических средств охраны" (Воронеж, 1995); Всероссийской практической конференции " Охрана - Я7" (Воронеж, 1957); пау..:. практических конференциях Воронежской высшей школы МВД России (Воронеж, 1994- 1998 гг.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссерiацискно«".р-иадтм опуог.ккиззг!Э /ше-надцать печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Диссертация состоит из ведения, четырех глав и заключения, изложенных на 130 страницах мг-.штм-писного текста. 29 рисунков, 14 таблиц, списка литературы, содержащего !2Г: наименований, 4 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель, задачи и объект исследования, научная новизна и практическая значимость результатов работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации.

В первой главе проведен анализ существующей технологии проектирования объектовых комплексов ОПС, который показал, что автоматизированы лишь этапы выпуска графической и проектно-сметной документации по оборудованию объекта, но выбор элементного базиса и синтез структуры объектовых комплексов ОПС осуществляется проектировщиком вручную, решение ряда вопросов проектирования остается субъективным, отсутствует общепринятый критерий предпочтения при выборе состава комплекса. Проведенная классификация технических средств , анализ типовой структуры объектового комплекса ОПС и их функционирования в реальных условиях позволили выделить совокупность параметров, по которым могут оцениваться технические средства и варианты комплекса в целом. Характеристики приборов сигнализации, приводимые в техническом описании и инструкциях по эксплуатации и среднему ремонту, не позволяют проектировщику объективно оценить их свойства в реальных условиях эксплуатации и осуществить обоснованный выбор состава разрабатываемого комплекса. По результатами НИР, проведенной НИЦ "Охрана" ВНИИПО МВД РФ , в рамках которой на основе метода анкетирования потребителей и практических работников вневедомственной охраны, а также на основе классификации технических средств ОПС и анализа типовой структуры объектовых комплексов можно отметить как наиболее важные следующие показатели : малая трудоемкость технического обслуживания, высокая обнаружительная способность комплексов ОПС и охранных извещателей,

высокая безотказность работы, высокая помехозащищённость.

При этом на основе полученных распределений нечётких мнений анкетируемых лиц предложено применять наряду с техническими показателями, приводимыми в документации на приборы ОПС, такие как вероятность обнаружения, средний период ложных тревог, среднее время наработки на отказ, трудоёмкость годового технического обслуживания.

Для получения полного спектра параметров предлагается проведение схемотехнического моделирования работы технических средств сигнализации. На основе анализа существующих САПР электронных схем выбран в качестве базовой для схемотехнического моделирования приборов ОПС пакет

программ Design Center (PSpice), реализующим все необходимые функции моделирования технических средств ОПС.

В работе предлагается процесс проектирования структуры объектового" комплекса ОПС на основе синтеза ее вариантов, моделирования ягботи; технических средств и выбора оптимального варианта с использование?,; оценки качества по интегральному показателю разработанными прогр-'"ыны-ми средствами. Маршрут автоматизированного проектирования по предложенной методике приведен на рис.1.

Рис. 1. Маршрут автоматизированного проектирования объекте'-.., комплексов ОПС

В конце первой главы сфориулирозякы цель и осноя;«;« пдачг чесле дования.

Во второй главе решаются задачи адаптации САПР электронных схем "Design Center" к моделированию технических средств ОПС- формирования моделей радиоэлектронных компоненте*, идентификации их параметров

Из анализа возможное гей САПР Design Center и принципов построен:«» математических моделей на входном языке программы Pspicc, следует «то они могут представлять собой ткромодели, содержащие стандартные

встроенные модели элементов. Применение аппарата макро-моделирования позволяет получить высокую степень соответствия математических моделей своим прототипам и не требует от проектировщика ОПС знания языков программирования высокого уровня, так как в САПР Design Center в программе Device Equation математические модели встроенных компонентов описаны на языке СИ.

В работе предложены модели оптоэлектронных компонентов (фото- и светодиодов, пироэлектрических датчиков), широко использующихся в технических средствах обнаружения, которые представляют собой макромодели, состоящие из имеющихся в программе PSpice встроенных моделей радиоэлектронных компонентов. Разработанные математические модели отвечают следующим требованиям:

соответствие формату данных программы PSpice и полная пригодность для применения в ней;

достаточная точность математических моделей для решения поставленных перед САПР задач;

универсальность математических моделей в смысле применимости для анализа работы схемы прибора ОПС в различных режимах.

В процессе структурной идентификации параметров разработанных математических моделей используются методы физического анализа, экспертных оценок и эвристические методы, параметрическая идентификация осуществляется методами частотных характеристик, идентификации по переходным характеристикам, квазилинеаризации при идентификации нелинейных объектов.

В т р е т ь е й главе решаются задачи формализации этапа структурного синтеза и выбора рационального варианта комплекса ОПС по интегральному показателю качества.

Синтез структуры объектового комплекса ОПС наиболее трудно поддается процессу формализации, поэтому предлагается использование экспертных систем выбора элементного базиса и структурного синтеза на основе баз знаний о назначении, функциональных возможностях, параметрах, особенностях применения технических средств ОПС, алгоритмах их использования.

Моделирование функционирования технических средств ОПС проводится выбранной в качестве базовой САПР схемотехнического моделирования Design Center с целью получения недостающих технических характеристик. Объектом моделирования являются технические средства обнаружения несанкционированного доступа на охраняемый объект, приборы сбора сообщений о состоянии объекта, системы передачи информации от охраняемого объекта с учетом влияния реальной среды эксплуатации.

В распоряжении проектировщика имеется множество техническ-:;.»; средств , из которых выбрать наилучший вариант комплекса Mow.no тп; ъко сравнивая их по совокупности большого числа качественны;, к количественных показателей различной размерности. Предложено формалпг«<ать эту задачу введением интефального показателя, всесторонне учитывающего характеристики технических средств и их влияние на св'ойства проектируемого комплекса. Интегральным показатель качества типа "Трудность досинюнал цели" позволяет совместно использовать как качественные, так и количественные характеристики, различные шкалы для и\ измерения, мт.одм ¡¡ре.", ставлен«» нечетких знаний (особенно на ранних этапах проектир^езми) г-есть рассматривать единое безразмерное представление как локальных показателе?!, таг; н интегрального. При пом оич»•?кепертнмх «иска* <{югш,-оога-ния технических показателей с использованием базы данных сс-.-.'-А/.яеюк множество наиболее значимых для данного проекта технических показателей и рассчитываются значения интегрального показателя качества сформированных вариантов комплекса. На основе оценок вариантов комплекта по интегральному показателю проектировщик определяет окончательный сест2з проектируемого комплекса.

Выпуск проектно-сметной документации на монтаж комплгкег ОПС производится средствами САПР "ОПС дизайн", которая содержит графический редактор "ОПС дизайн дл.ч У/Мои^О;". гтозпг.лято:;:!;:": ггор-'кгог-'ль проектную и исполнительскую документацию на основе ба;; дхатг чт. .ы-> чертежей технических средств ОПС, проектной и исполни•••«льск.'.й .••;»„.•.••»•<•• тации и программу "Смета9У, осуществляющую расчет суе-н?." « ти«»...е* на монтаж и установку приборов охранной сигнатшш-.и.

Интегральный показатель качества объектового комгл?!.■:: С-Г'«, : : •_>-ставляет собой свертку технических показателен, множестс: г.,- >г.-'х мируется из общего перечня, то есть отбираются наиболее суше '"о-

казателк для проектирования комплекса ОПС с нополиоьзя;-с-.! ' Гг! Основным критерием отбора в данном случае являете.: его значлме-л4-, •. ниваемая при помощи экспертных методоз специалистам!! а области лтюе'»-тнрования и эксплуатации систем ОПС и отражаема'' в виде сесо-п-14 г*>» фициентов.

Для определения интегрального показателя качества технических средств ОПС на первом этапе производится оценка вариантов панических средств ОПС (или всей системы) по каждому показателю мето-.оч парных сравнений, представляемая матрице», Ху элемент шторой явл^ек.>■ одвкчой 1-го варианта технического средства ОПС (системы) по]-му псказг-ы :•

На следующем этапе определяется диапазон изменения ,)-го показателя

X, ,ш„ < Ху. < Х„т. (1)

После этого экспертным методом на основе анализа матрицы оценок определяются нормативные уровни показателей x*s, фактически отражающие требования качества xj > jc*j к техническим средствам ОПС (системы) по j-ому показателю или допуск > 0, Xj > x*j -a¡.

Далее выполнены оценки "трудность достижения цели" jjj и Cj, которые позволяют учесть требования к значениям показателей и определяют степень несоответствия значения показателя нормативному уровню

Г1 i ni ах _ min ; (2) 9¡ im-; _ irán ; (3)

J л j "V Л]

где jjj характеризует технический уровень качества i-ro варианта комплекса

ОПС по j-му показателю, a ej, - требование к качеству по j-му показателю для

любого варианта комплекса.

После замены переменных определяются локальные оценки по каждому показателю d'j:

<g(l-Mj)

которые характеризуют трудность достижения требуемого качества i-ro прибора ОПС по j-му показателю. Предполагается что d'j = 0 при p'j=£j = 0; d'j = 1 при n'j=£j= 1; d'j е (0,1) при n'j^tj.

По найденным локальным оценкам вычисляются интегральные показатели качества вариантов технических средств ОПС на основе весовых коэффициентов:

£> = 1 - /7(1 - d )"■ (5) при ±а =1,

где а, - весовые коэффициенты, определяемые методом парных сравнений.

На основе полученных интегральных показателей синтезируется определенное число вариантов системы, причем на каждом ее уровне выбираются приборы ОПС по порядку убывания значений локальных интегральных показателей качества.

После этого вычисляются интегральные показатели качества всех вариантов комплекса ОПС по алгоритму, описанному выше, но теперь вместо показателей качества приборов ОПС и их оценок используются показатели качества всей системы и (или) их оценки.

Разработанные алгоритмы определения оптимального варианта комплекса ОПС на основе интегрального показателя качества позволяют эффективно решать задачу структурного синтеза, в следующих случаях:

совместимость технических средств ОПС слабо влияет на показатели качества системы,

при значительной неопределенности требований к системе и информации о ней на начальных этапах синтеза;

при необходимости совместного использования качественных и количественных показателей качества.

Рассмотрены множество вариантов технических средств ОПС : /. - ./-„}, каждое из которых характеризуется определённым набо-

ром показателей / = /2,■■■/„} ■

Алгоритмы выбора комплекса ОПС объекта учитывают два возможных варианта системы:

каждый из показателей качества системы в значительной мере определяется показателями качества ее частей;

совместимость технических средств ОПС различных структурных уровней сильно влияет на показатели качества комплекса ОПС.

В первом случае зависимость показател-ей качества системы от соответствующих показателей качества ее частей носит случайный характер, и задача является не экстремальной.

Блок - схема алгоритма выбора оптимального состава комплекса ОПС на основе интегрального показателя "Оценка трудности достижения цели" для первого случая изображена на рис. 2.

Этот алгоритм синтеза оптимального варианта комплекса ОПС состоит из следующих шагов.

1. С использованием предложенных ранее методов вычисляются интегральные показатели качества технических средств на каждом уровне системы.

2. На основе априорных данных проектировщик принимает решение о том, что зависимость интегрального показателя качества комплекса ОПС от интегрального показателя качества технических средств является сильной.

3. Если зависимость сильная или информации об этом не имеется, то синтезируется задаваемое проектировщиком число вариантов системы, при чем на каждом ее уровне выбираются приборы ОПС по порядку убывания значений их интегрального показателя.

4. Производится расчет интегрального показателя качества выбранных вариантов комплекса путем их моделирования с использованием интегрированной САПР систем ОПС или их оценка экспертным методом.

5. Вычисляются интегральные показатели всех вариантов комплекса ОПС аналогично шагу 1, но теперь вместо показателей качества приборов ОПС и их оценок используются показатели всей системы и (или) их оценки.

Расчет интегрального показателя качества всех технических средств__

г

Ранжирование технических средств на каждом структуром уровне комплекса по убыванию интегрального показателя

качества..

Формирование вариантов

комплекса из лучших тсхничшкх средств

I Определение показателей качества вариантов комплекса

4 Выбор варианта комплекса с наилучшим интегральным показателем качества

Определение интегрального показателя качества вариантов комплекса ОПС -»

1

Формирование вариантов комплекса из следующих технических средств

Выбор из результирующего

множества варианта с

наил\чшим интегральным показателем качества

^^Конец^^

Рис. 2, Алгоритм структурного синтеза системы ОПС при наличии сильной зависимости интегрального показателя качества системы от качества используемых технических средств

6. В случае, если вариант системы с наилучшим интегральным показателем удовлетворяет проектировщика, то синтез завершается, если нет, то продолжается перебор вариантов системы, начиная с шага 4.

Если в результате структурного синтеза комплекса ОПС на основе технических средств с высоким показателем качества не получен удовлетворяющий проектировщика вариант, то необходимо либо пересмотреть требования к системе и продолжить синтез с шага 4, либо сделать вывод о слабом влиянии показателей качества технических средств на показатель качества всего комплекса.

В четвертой главе показана возможность практического использования разработанной подсистемы автоматизированного проектирования объектовых комплексов ОПС. Описана архитектура программного комплекса разработанной подсистемы автоматизированного проектирования комплексов ОПС. Разработанный программный комплекс САПР ОПС состоит из трех подсистем, при помощи которых проектировщик проводит моделирование электронных схем ОПС (САПР Design Center) с целью анализа их работы в реальных условиях и получения необходимых технических показателей, формирует варианты предполагаемого комплекса ОПС ( подсистема синтеза вариантов комплекса ОПС) и осуществляет выбор оптимального варианта (подсистема оценки вариантов комплекса ОПС) (рис. 3.).

САПР электронных схем Design Center осуществляет моделирование технических средств ОПС при помощи программы PSpice в соответствии с выбранными заданиями на моделирование и значениями варьируемых параметров. Результаты моделирования формируются в Еиде текстовых файлов с расширениями .out, .txt.

Для добавления в базу данных моделей компонентов используется программа Parts, которая проводит идентификацию параметров создаваемых математических моделей и добавляет iix в файлы базы данных с расширением .lib.

Результаты моделирования электронных схем при помощи САПР Design Center (PSpice) сосредотачиваются в базе данных элементов технических средств ОПС подсистемы синтеза вариантов проектируемого комплекса охраны.

Подсистема синтеза вариантов комплекса ОПС реализована при помощи оболочки экспертной системы "РИЗА", программы выбора вариантов комплекса ОПС и содержит базу знаний о технических средствах ОПС и особенностях их применения, в которой в текстовых файлах хранится информация о назначении, функциональных возможностях, параметрах, технических средств сигнализации и содержатся алгоритмы их использования. Базы знаний хранятся в текстовых файлах с расширением .ехр , результаты экспер-

Рис. 3. Структура программного комплекса САПР ОПС

i

тиз - в файлах с расширением .res , а документация на систему - в файле risa, doc.

База знаний типовых проектов комплексов ОПС содержит сведения о созданных ранее типовых проектах и их оценки эффективности. При помощи разработанной программы синтеза вариантов комплекса var.exe в соответствии с алгоритмами (рис.2) формируются возможные варианты проектируемого комплекса ОПС с учетом предъявляемых требований. Сформированные варианты комплекса охраны заносятся в файл с расширением .var и передаются в подсистему оценки вариантов комплекса ОПС, где на основе интегрального показателя качества принимается решение о выборе оптимального варианта.

Подсистема оценки вариантов ОПС при поддержке экспертной системы осуществляет формирование множества показателей комплекса охранной сигнализации и определение интегрального показателя качества. В качестве экспертной системы также используется оболочка "Риза" соответственно оснащенная базами знаний и правил. -

Проектировщик- с помощью экспертной системы формирования множества показателей комплекса ОПС при поддержке базы знаний генерирует на основе экспертных оценок из общего перечня наиболее значимые и определяет их весопые коэффициенты. Программа формирования интегрального показателя качества ipk.exe рассчитывает по совокупности технических показателей интегральный показатель качества каждого варианта и делается заключение о выборе оптимального варианта комплекса ОПС.

В диссертационной работе при помощи подсистемы автоматизированного проектирования проведено моделирование функционирования современных технических средств ОПС с учетом реальных условий эксплуатации, сформирован массив технических показателей, осуществлен анализ вариантов реального объектового комплекса ОПС ы выбор его охшшзльного соста-. ва. Практические результаты проектирования оптимального состава комплекса ОПС использованы при оборудовании средствами ОПС ряда объектов в Ленинском районе г. Воронежа.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ современных технологий и средств автоматизированного проектирования объектов»* комплексов ОПС, который показал необходимость разработки средств автоматизированного проектирования на основе схемотехнического моделирования их подсистем и выбора оптимального состава комплекса ОПС при использовании формализованного объективного критерия предпочтения.

2. Для проведения схемотехнического моделирования функционирования приборов ОПС в реальных условиях эксплуатации в качестве базовой выбрана САПР Design Center (PSpice^.

3. Предложен маршрут автоматизированного проектирования объектовых комплексов ОПС, включающий в себя этапы моделирования технических средств сигнализации и анализа вариантов состава комплекса по интегральному показателю качества.

4. Проведена адаптация САПР Design Center (PSpice), в рамках которой разработаны модели оптозлеетронных компонентов технических средств ОПС с применением аппарата макро-моделирования, методы идентификации их параметров и сформирована библиотека моделей компонентов.

5 Разработана методика формирования массива показателей комплекса ОПС с применением экспертной системы.

6. Разработаны алгоритмы выбора оптимального состава объектового комплекса ОПС на основе интегрального показателя качества типа "Трудность достижения цели", позволяющего совместно использовать как ка-

чественные, так и количественные характеристики технических средств ОПС. Алгоритмы учитывают два возможных варианта системы:

каждый из показателей качества системы в значительной мере определяется показателями качества ее частей.

совместимость технических средств ОПС различных структурных уровней сильно влияет на показатели качества комплекса ОПС. ,

7. Выбрана и обоснована структура программного комплекса подсистемы автоматизированного проектирования объектовых систем охранно-пожарной сигнализации, отличающаяся наличием экспертных компонентов и использованием в качестве ядра системы САПР схемотехнического моделирования Design Center (PSpice);

8. Проведено внедрение результатов исследований и разработанных программных средств моделирования и оптимизации элементов систем ОПС в практическую деятельность отдела вневедомственной охраны при Ленинском РОВД г. Воронежа и в учебный процесс Воронежской высшей школы МВД России.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Жуков В.Д., Рогачев Ю.К. Классификация параметров датчиков ох- -ранно-пожарной сигнализации // Тез. докл. научно-практической конферен- . ции ВВШ МВД России. -Воронеж: ВВШ МВД РФ.1994г. -С. 42.

2. Жуков В.Д., Рогачев Ю.К., Седых Н.К., Ююкин H.A. Устройство регистрации динамических процессов // Сб. науч. тр. Воронежской высшей школы МВД России. -Воронеж : ВВШ МВД РФ, 1995. -С.54-58.

3. Рогачев Ю.К. Алгоритм структурного синтеза систем ОПС. // Вестник ВВШ МВД РФ, -Воронеж : ВВШ МВД РФ, 1998. -С.32-36.

4. Рогачев Ю.К., Зибров A.A. Основные принципы создания комплексной САПР технических средств ОПС // Сб. науч. тр. Воронежской высшей школы МВД РФ. Вып.З . -Воронеж : ВВШ МВД РФ, 1996. -С.60-64.

5. Рогачев Ю.К., Зибров A.A. Алгоритм структурного синтеза систем ,охранно-пожарной сигнализации // Охрана - 97: Тез. докл. Всероссийской научно-практической конференции (18-20 ноября 1997 г.) -Воронеж : ВВШ МВД РФ, 1997.-С. 18-19.

6. Рогачев Ю.К., Зибров A.A. О применении интегральных показателей в системах автоматизированного проектирования. // Сб. науч. тр. ВВШ МВД РФ. Вып 4,- Воронеж : ВВШ МВД РФ, 1997. -С. 58-60.

7. Рогачев Ю.К., Зибров A.A. Оценка показателей качества технических средств ОПС с использованием САПР Design Center. // Тез. докл. науч-

но-лрактической конференции ВВШ МВД РФ, 1998. -Воронеж : ВВШ МВД РФ, 1998. -С. 76.

8. Рогачев Ю.К. Идентификация параметров математических моделей оптоэлектронных приборов. /,' Тез. докл. научно-практической конференции ВВШ МВД России, -Воронеж : ВВШ МВД РФ, 1996. -С. 24.

9. Рогачев Ю.К. Модель пироэлектрического датчика для автоматизированного проектирования аппаратуры ОПС. // Всерос. конф. "Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны": Тез. докл. ( 14-17 ноября 1995/ ., Воронеж) -М.: Радио и связь, 1995. -С. 61-62.

10. Рогачев Ю.К. Модели фотоэлектронных приборов для автоматизированного проектирования аппаратуры ОПС // Тез. докл. научно-практической конференции ВВШ МВД РФ. -Воронеж : ВВШ МВД РФ, 1995. -С. 21-22.

11. Рогачев Ю.К. Определение параметров моделей оптико-электронных компонентов радиоэлектронных схем , применяемых в пакете автоматизированного проектирования PSpice. // Сб. науч. тр. Воронежской высшей школы МВД РФ.: Вып 2. -Воронеж: ВВШ МВД РФ, 1995. -С. 17-21.

12. Рогачев Ю.К., Рындин A.A. Адаптация программ моделирования электронных схем для проектирования аппаратуры охранно-пожарной сигнализации // Труды второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием : Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники . (Дивноморское, 10-15 сентября 1995г) -Таганрог. Таганрогский государственный радиол гет. 1995. -С. 75.

/ к......■/

/ / ; . —....... г/

/ ^ ЧУ / I/ Ч.У

I

/ /

воронежский государственный техническим

университет

На правах рукописи

РОГАЧЕВ Юрий Константинович

РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВЫХ КОМПЛЕКСОВ ОХРАННО - ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ

Специальность 05.13.12 Системы автоматизации проектирования

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Рындин А.А.

Воронеж 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

Глава 1. Анализ существующих систем охранно-пожарной 11

сигнализации, методов их проектирования и оценки эффективности

1.1. Анализ существующей технологии проектирования 11 систем ОПС и возможности их автоматизированного

проектирования

1.2. Классификация технических средств охранно-пожарной 15 сигнализации и анализ их функционирования

1.3. Анализ и выбор базовой системы схемотехнического 26 моделирования приборов ОПС

1.4. Методика автоматизированного проектирования и выбора 33 оптимального варианта комплекса технических средств ОПС

1.5. Цели и задачи исследования 37 Глава 2. Разработка моделей оптоэлектронных компонентов 39 приборов ОПС и идентификация их параметров

2.1. Методы идентификации моделей электронных 39 компонентов

2.2. Разработка моделей элементов приборов ОПС для САПР 41 схемотехнического моделирования Design Center (PSpice)

2.3. Методика автоматизированного расчета 55 параметров моделей

2.4. Выводы главы 2 61 Глава 3. Разработка подсистемы автоматизированного 63 проектирования комплекса ОПС

3.1. Структура подсистемы автоматизированного 64 проектирования комплекса ОПС

3.2. Оценка вариантов комплекса ОПС 69

3.3 Формирование показателей технических средств и 71 комплекса ОПС объекта

3.4. Алгоритмы выбора оптимального состава объектового 80 комплекса ОПС

3.5. Выводы главы 3 87 Глава 4. Применение разработанных средств САПР для проекта- 88 рования систем ОПС

4.1. Структура программных средств комплекса САПР ОПС 88

4.2. Моделирование электронных схем ОПС 93

4.3. Выбор рационального варианта структуры комплекса 103 ОПС в разработанной подсистеме САПР

4.4 Выводы главы 4 107 Заключение 113

Литература

Приложени1

Приложени2

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Надежная згудита собственности личности, общества и государства в большой степени определяется правильным выбором варианта охраны. Такой выбор включает в себя определение структуры охраны, выбор количества зон контроля и технических средств охранной сигнализации. До недавнего времени процесс выбора оптимального варианта системы охраны осуществлялся на основе ограниченного перечня технических средств охраны с детальными рекомендациями по способам их размещения на объекте, а использование частных излишне конкретизированных рекомендаций по размещению технических средств охранной сигнализации на объекте приводило к однотипности структуры охраны и снижению ее эффективности. В настоящее время ситуация во вневедомственной охране изменяется в сторону существенного расширения множества возможных вариантов системы охраны из-за расширения номенклатуры технических средств. Сложность объектов охраны, взаимосвязь и многообразие характеристик средств охранно - пожарной сигнализации(ОПС), наличие больших массивов данных, требующих анализа, необходимость их накопления и модификации для дальнейшего использования приводит к тому, что при проектировании выбор элементного базиса и синтез структуры объектовых комплексов ОПС осуществляется проектировщиком вручную, решение ряда вопросов проектирования остается субъективным, отсутствует общепринятый критерий предпочтения при выборе состава комплекса. Характеристики приборов сигнализации, приводимые в техническом описании и инструкциях по эксплуатации и среднему ремонту, не позволяют проектировщику объективно оценить их свойства в реальных условиях эксплуатации и осуществить обоснованный выбор состава разрабатываемого комплекса.

Поэтому научная актуальность темы диссертационного исследования продиктована необходимостью разработки методики вариантного проектирования комплексов ОПС на основе моделирования их подсистем с учетом условий эксплуатации на охраняемом объекте и выбора рационального варианта организации ОПС на основе формализованного объективного критерия предпочтения. Для реализации на практике вариантного проектирования объектовых комплексов необходима разработка соответствующей технологии и средств САПР.

Работа выполнена в соответствии с Концепцией развития вневедомственной охраны при органах внутренних дел Российской федерации , объявленной приказом МВД РФ № 499 от 06.09 1996 г. и одним из научных направлений ВГТУ - "САПР и системы автоматизации производства".

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью работы является разработка и практическая реализация алгоритмов и программных средств моделирования и оптимального выбора элементов объектового комплекса ОПС на основе интеграции САПР радиоэлектронных схем и программных средств оценки эффективности вариантов систем.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

провести анализ существующих САПР, которые могут быть использованы при автоматизированном проектировании системы ОПС;

выбрать базовую САПР моделирования функционирования технических средств ОПС и определения их показателей;

разработать методику моделирования функционирования технических средств ОПС и определения их показателей;

разработать математические модели элементов технических средств ОПС, методы идентификации их параметров для использования в базовой САПР;

разработать структуру и алгоритм функционирования подсистемы автоматизированного проектирования комплекса ОПС;

выбрать критерий количественной оценки качества синтезируемых вариантов системы ОПС и базовый метод принятия решений;

реализовать применение разработанных средств САПР в подсистеме проектирования комплекса ОПС и разработать алгоритмы выбора наилучшего варианта комплекса ОПС.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных задач в работе использовались принципы системного подхода, методы теории построения САПР, методы математического моделирования, теории вероятностей, принятия решений, исследования операций.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной :

структура подсистемы автоматизированного проектирования объектовых комплексов ОПС, отличающаяся наличием экспертных компонентов и использованием в качестве ядра САПР схемотехнического моделирования Design Center (PSpice) и позволяющая осуществлять выбор рационального состав комплекса;

модели оптоэлектронных компонентов приборов ОПС для использования в базовой САПР, отличающиеся применением аппарата макромоделирования и позволяющие учитывать при определении характеристик технических средств ОПС влияние помех в кан&ае распространения сигнала;

алгоритм оценки эффективности объектового комплекса ОПС, отлит

чающийся применением интегрального показателя типа "Трудность достиже-

ния цели" , позволяющий совместно использовать как качественные, так и количественные характеристики;

алгоритмы выбора оптимального варианта комплекса ОПС, отличающиеся использованием настраиваемых вероятностей для управления перебором вариантов и позволяющие осуществлять выбор в условиях неопределенности информации об используемых технических средствах и требований к системе ОПС.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. В работе предложена структура подсистемы автоматизированного проектирования объектовых комплексов ОПС на основе оценки вариантов по интегральному показателю качества типа "Трудность достижения цели". Для определения интегрального показателя качества предложено проведение моделирования функционирования технических средств ОПС в реальных условиях эксплуатации при помощи САПР схемотехнического моделирования "Design Center (PSpice)". Разработаны и реализованы математические модели оптико-электронных компонентов приборов ОПС для системы моделирования "Design Center (PSpice)", процедуры определения интегрального показателя качества и выбора оптимальной структуры объектового комплекса ОПС.

Созданные модели и алгоритмы позволяют реализовать выбор оптимального варианта комплекса ОПС объекта в подсистеме автоматизированного проектирования систем ОПС.

Результаты работы внедрены в учебный процесс Воронежской высшей школы МВД России, а также в отделе вневедомственной охраны при Ленинском РОВД г. Воронежа.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

В диссертационной работе на защиту вмносятся следующие основные положения:

структура подсистемы автоматизировалного проектирования объектовых комплексов ОПС;

модели оптоэлектронных компонентов приборов ОПС для использования в базовой САПР;

алгоритм оценки эффективности объектового комплекса ОПС; алгоритмы выбора оптимального варианта комплекса ОПС; методика определения интегрального показателя качества вариантов комплекса ОПС;

методика определения технических показателей приборов ОПС. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ . Разработанные в диссертации теоретические и практические положения были доложены и получили одобрение на следующих конференциях и семинарах: 2-ой Всероссийской научно - технической конференции с международным участием " Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники (Дивноморское, 1995г) ; Всероссийской конференции "Повышение помехоустойчивости систем технических средств охраны" (Воронеж, 1995); Всероссийской научно-практической конференции " Охрана - 97" (Воронеж, 1997); научно-практических конференциях Воронежской высшей школы МВД России (Воронеж 1994 - 1998 гг.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель, задачи и объект исследования, научная новизна и практическая значимость результатов работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ существующей технологии проектирования комплексов ОПС; представлена классификация технических средств и описана структура объектового комплекса ОПС; произведен выбор базовой системы моделирования электронных схем технических средств; предложена методика проектирования структуры объектового комплекса .

Во второй главе излагаются концептуальные основы по разработке моделей оптоэлектронных компонентов и идентификации их параметров и предложены математические модели фото- и светодиода, а также пироэлектрического датчика для САПР электронных схем Design Center (PSpice).

В третьей главе предложен маршрут автоматизированного проектирования объектового комплекса ОПС, методика оценки и выбора наилучшего варианта комплекса ОПС по интегральному показателю качества "Трудность достижения цели", разработаны алгоритмы структурного синтеза комплекса ОПС объекта.

В четвертой главе описывается структура программного комплекса автоматизированного проектирования комплексов ОПС и процесс моделирования технических средств ОПС базовой САПР Desing Center (PSpice).

Использование рассмотренных в диссертационной работе методов выбора оптимального варианта комплекса ОПС на основе интегрального показателя качества проиллюстрировано на конкретном примере проектирования.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационного исследования.

Прилагается список используемых литературных источников.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ОХРАННО - ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ , МЕТОДОВ ИХ ПРОЕКТИРОВНИЯ И ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ

1.1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ОПС И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Эффективность системы ОПС, способы ее адаптации к изменениям криминальной ситуации и другим факторам внешней среды во многом определяются качеством проекта системы ОПС. До 1992 г. проектирование, монтаж и эксплуатационное обслуживание систем ОПС не режимных объектов осуществлялось подразделениями вневедомственной охраны МВД России, где указанные процедуры являются жестко регламентированными, что связано с высоким уровнем финансовой ответственности подразделений перед собственниками охраняемых объектов. С принятием закона о частной детективной и охранной деятельности в Российской Федерации [30] возможность проектирования, монтажа и эксплуатационного обслуживания систем ОПС получили также частные охранные предприятия, что существенно расширило круг проектных организаций. Однако, вне зависимости от проектной организации, разработавшей проект, для сертификации систем ОПС необходимо ее соответствие требованиям ГОСТ Р50776-95 [21] и нормативных актов МВД РФ [79,80]. Поэтому подробно рассмотрим существующую технологию проектирования систем ОПС и возможные пути ее совершенствования.

В соответствии с действующими в подразделениях вневедомственной охраны МВД РФ нормативными актами проектирование объектовых систем ОПС осуществляется силами межведомственной комиссии в составе

представителей заказчика (владельца) объекта, вневедомственной охраны, государственного пожарного надзора и (п^-и необходимости) монтажно-наладочной организации, которая будет осуществлять монтаж технических средств ОПС на объекте [80]. Последовательность работы комиссии представлена на рис. IX

Рис. 1.1. Маршрут проектирования объектовой системы ОПС

Рассмотрим подробнее этапы проектирования системы ОПС объекта.

Обследование объекта. Предполагаемый способ охраны должен соответствовать величине и характеру охраняемых ценностей и особенностям их концентрации на объекте в охраняемое время. Изучение особенностей объекта с целью создания системы ОПС по терминологии нормативных документов МВД называется обследованием объекта. Результатом обследования объекта являются:

- классификация (категорирование) объекта;

- определение строительно- охранных характеристик объекта.

Выбор тактического варианта охраны объекта. По результатам обследования объекта межведомственная комиссия выбирает вариант охраны объекта, включающий в себя:

1. Вид сигнализации (автономная или централизованная; раздельная охранная и пожарная или комбинированная).

2. Вариант электропитания средств сигнализации (от сети переменного тока, от сети с автоматическим переходом нй резервный источник , от системы передачи извещений (СПИ) как резервное или основное питание).

3. Структура охраны (количество рубежей сигнализации на объекте; количество пультовых номеров на пульт централизованного наблюдения

(ПЦН).

4. Структура и назначение рубежей сигнализации (количество шлейфов сигнализации (ШС); разделение ШС на самостоятельные участки; характеристика признака нарушения блокируемого участка).

5. Технические средства обнаружения и места их установки.

6. Варианты прокладки трасс электропроводок ОПС на объекте.

7. Типы приемно-контрольных приборов (ПКП) и оповещателей и места их установки.

8. Структурная схема подключения объектовых средств обнаружения к СПИ.

Технические средства охранной сигнализации выбираются из перечня разрешенных к применению МВД РФ средств [65] на основании проведенного технико-экономического обоснования [105] и последующей оценки надежности охраны объекта[81].

Разработка проектно-сметной документации. По результатам обследования объекта и выбора варианта охраны составляется следующая документация [80,102,103]:

1. Акт обследования объекта, который может быть использован в дальнейшем в качестве исполнительной документации для проведения монтажных работ или в качестве технического задания для разработки проектно-сметной документации монтажной организации.

2. План-схема блокировки объекта.

3. Смета на монтажно-наладочные работы.

4. Задание заказчику по обеспечению технической укрепленности объекта.

Анализ существующей технологии проектирования систем ОПС объектов позволяет сделать вывод, что решение ряда вопросов проектирования остается субъективным. Отсутствует общепринятый объективный критерий предпочтения при выборе технических средств обнаружения, ПКП, средств оповещения, отсутствует анализ эффективности вариантов системы ОПС конкретного проектного решения. Указанные причины приводят к объективной необходимости совершенствования процесса проектирования системы ОПС, что в современных условиях возможно только с использованием автоматизированного проектирования.

Расширение номенклатуры технических средств системы ОПС, их функциональных возможностей и усложнение взаимосвязей между ними привело к необходимости использования технологии автоматизированного проектирования и анашз