автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Система поддержки принятия решений при оценке робастности сложных бортовых радиоэлектронных систем на базе COTS-продуктов

На правах рукописи

БОНДАРЕВ Андрей Владимирович

СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ ОЦЕНКЕ РОБАСТНОСТИ СЛОЖНЫХ БОРТОВЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ НА БАЗЕ СОТБ-ПРОДУКТОВ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 СЕН 2011

Уфа-2011

4853556

Работа выполнена на кафедре авиационного приборостроения ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научный руководитель: д-р техн. наук, проф.

Ефанов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: д-р техн. наук, проф.

Валеев Сагит Сабитович, зав. кафедрой информатики ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет

канд. техн. наук Чечулин Анатолий Юрьевич, зам. главного конструктора ОКБ по направлению малоразмерных ГТД ФГУП УАП «Гидравлика», г. Уфа

Ведущая организация: ФГУП Уфимское научно-производственное

предприятие «Молния»

Защита диссертации состоится «7» октября 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.03 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа-центр, ул. К. Маркса, д. 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан «_» _2011 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета д-р техн. наук, проф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время при разработке бортовых радиоэлектронных систем (БРЭС) широко используются готовые к применению модули коммерческого исполнения (Commercial Off The Shelf - COTS). К числу проектов с применением COTS-продуктов относится целый ряд авиационных (самолеты F/A 18, AV8B, F-117A, F-22, Nimrod MRA4, Harrier, Tornado, беспилотный самолёт Global Hawk, экспериментальный гиперзвуковой самолет NASA Х-33) и космических (станция ALPHA, космические челноки Space Shuttle, автоматический космический аппарат Pathfinder) изделий. Указанная тенденция обусловлена тем, что COTS-продукты отличаются более обширной номенклатурой, низкими ценами, более короткими сроками разработки и модернизации, лучшей программной поддержкой, преемственностью, которая препятствует моральному устареванию используемых технологий и обеспечивает тем самым больший срок эксплуатации. Однако все эти многочисленные преимущества обесцениваются при ужесточении условий эксплуатации, когда использование стандартных серийных компонентов становится невозможным. В связи с этим большинство отечественных и зарубежных разработчиков БРЭС проводят исследования, направленные на то, чтобы гарантировать возможность применения стандартных изделий в расширенных условиях эксплуатации. В результате была предложена методология NDI (Non-Developmental Item) «неразрабатываемых заново» изделий, гарантирующая полную совместимость модулей коммерческого (гражданского) и бортового (военного) назначения. Одним из ключевых положений этой методологии является оценка способности разрабатываемых изделий сохранять свои характеристики в широком диапазоне внешних воздействий. Подобные исследования должны охватывать все этапы проектирования и, в первую очередь, этап схемотехнического проектирования, где формируется основная концепция построения изделия, проводится анализ условий эксплуатации для оценки эффективности изделия в выявленных условиях. Важный вклад в развитие теории и практики построения высокоэффективных радиоэлектронных комплексов, в том числе предназначенных для применения на борту летательных аппаратов, внесли видные отечественные ученые и конструкторы Абутидзе З.С., Анцев Г.В., Белый Ю.И., Голованов H.A., Захаревич А.П., Зеленюк Ю.И., Крюков С.П., Кузнецов А.Г., Макаров H.H., Норенков И.П., Парамонов П.П., Петренко А.И., Подоплекин Ю.Ф., Сабо Ю.И., Сарычев В.А., Сигорский В.П., Синани А.И., Солдаткин В.М., Турчак A.A., Хвощ С.Т. и др.

Вместе с тем, ряд важных аспектов, связанных с принятием проектных решений при создании БРЭС на базе COTS-продуктов, нуждается в дополнительных исследованиях. Дело в том, что принимать подобные проектные решения приходится в условиях неопределенности, поскольку заранее неизвестно, как поведут себя модули коммерческого (гражданского) исполнения в бортовых условиях эксплуатации. При этом существующие системы поддержки принятия решений не позволяют снизить неопределенность в оценке проектных альтернатив до уровня, гарантирующего выполнение требований к величине

разброса схемотехнических характеристик разрабатываемых устройств. Указанное обстоятельство обуславливает актуальность сформулированной темы диссертационной работы, направленной на разработку системы поддержки принятия решений на основе оценки робасгаости сложных БРЭС с использованием COTS-продуктов.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности БРЭС за счет использования COTS - продуктов, способных сохранять свои характеристики в широком диапазоне внешних воздействий.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка системы поддержки принятия решений при формировании облика сложных БРЭС с использованием COTS-продуктов, способных сохранять свои характеристики в широком диапазоне внешних воздействий.

2. Разработка методики оценки робастносги БРЭС, включающей совокупность NDI - процедур исследования поведения COTS - продуктов в заданных условиях эксплуатации.

3. Разработка обобщенной структурно-параметрической модели БРЭС, учитывающей влияние неопределенных факторов внешней и внутренней среды.

4. Разработка совокупности вычислительных алгоритмов, реализующих NDI - процедуры анализа робастности БРЭС для типовых режимов функционирования.

5. Разработка программного комплекса анализа робастности БРЭС.

Методическая база и методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории принятия решений, системного анализа, методы решения систем интервальных линейных (методы Гаусса и Хаус-холдера), нелинейных (методы Ньютона й Кравчика) и дифференциальных уравнений (метод Эйлера), методы интервальной арифметики Кахана и Каухе-ра, а также метод построения схем в конечных приращениях.

Объектом исследования являются сложные бортовые радиоэлектронные системы, построенные с использованием готовых к применению модулей коммерческого исполнения.

Предмет исследования: теоретические и прикладные вопросы принятия решений при проектировании, анализе и моделировании сложных бортовых радиоэлектронные систем с цель повышения эффективности функционирования за счет использования готовых к применению модулей коммерческого исполнения.

Основные научные результаты, выносимые на защиту

1. Система поддержки принятия решений при формировании облика сложных БРЭС с использованием COTS-продуктов, способных сохранять свои характеристики в широком диапазоне внешних воздействий.

2. Методика оценки робастности БРЭС, включающая совокупность NDI - процедур исследования поведения COTS - продуктов в заданных условиях эксплуатации.

3. Обобщенная структурно-параметрическая модель БРЭС, учитываю-

щая влияние неопределенных факторов внешней и внутренней среды.

4. Совокупность вычислительных алгоритмов, реализующих NDI - процедуры анализа робастности БРЭС для типовых режимов функционирования.

5. Результаты оценки эффективности предложешшй системы поддержки принятия решений с использованием программного комплекса анализа робастности БРЭС.

Научная новизна

1. Используемый в системе поддержки принятия решений алгоритм отличается тем, что позволяет снизить неопределенность в оценке возможных вариантов построения БРЭС за счет выбора и осуществления оптимального эксперимента на основе прогноза предполагаемых результатов.

2. Методика оценки робастности БРЭС отличается тем, что она содержит функционально полную совокупность NDI - процедур, которые позволяют на этапе схемотехнического проектирования выяснить возможность применения стандартных изделий в расширенных условиях эксплуатации.

3. Обобщенная структурно-параметрическая модель БРЭС, отличается тем, что она гарантирует алгоритмическую разрешимость систем уравнений, записанных в конечных приращениях.

4. Новизна вычислительных алгоритмов, реализующих NDI - процедуры анализа робастности БРЭС для типовых режимов функционирования, обусловлена применением интервальных методов решения дифференциальных и алгебраических уравнений с использованием полной арифметики Каухера, что позволяет получать внешнюю интервальную оценку решения, максимально приближенную к интервальной оболочке этого решения.

Практическая значимость и внедрение результатов исследований

1. Система поддержки принятия решений при формировании облика сложных БРЭС с использованием COTS-продуктов позволяет снизить затраты на производство новых систем бортового оборудования из-за использования более дешевых компонентов массового производства, увеличить срок эксплуатации за счет лучшей мобильности, переносимости и интероперабельности COTS-продуктов, что препятствует моральному устареванию используемых технологий.

2. Методика оценки робастности БРЭС, включающая совокупность NUI - процедур исследования поведения COTS - продуктов, позволяет сократить время, затраченное на расчетно-теоретические работы при проектировании бортовых устройств, предназначенных для использования в жестких условиях эксплуатации.

3. Практическая значимость обобщенной структурно-параметрическои модели БРЭС, учитывающей влияние неопределенных факторов внешней и внутренней среды, заключается в значительном сокращении временных и материальных ресурсов, затрачиваемых на макетирование и проведение экспериментальных исследований с целью снижения уровня неопределенности в оценке проектных альтернатив.

4. Полученная в работе совокупность вычислительных алгоритмов, реализующих NDI - процедуры анализа робастности БРЭС для типовых режимов

функционирования, позволяет адекватно оценивать диапазон изменения характеристик исследуемых устройств, что создает предпосылки для расширения области применения COTS-продуктов в оборонных и аэрокосмических системах.

5. Практическая значимость программного комплекса анализа робастно-сти БРЭС заключается в том, что он позволяет автоматизировать трудно формализуемые этапы схемотехнического проектирования, от которых зависит потенциальная эффективность разрабатываемых изделий.

Практическая значимость результатов диссертационной работы подтверждается внедрением в производственную деятельность ФГУП КумАПП (г. Кумертау).

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах:

- XI Международной научно-технической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении», (г. Санкт-Петербург, 28-30 июня

2007 г.).

- XXXTV Международной молодежной научной конференции «Гагарин-ские чтения», (г. Москва, 1 — 5 апреля 2008 г.).

- XVI Международной научно-практической молодежной конференции «Туполевские чтения» (Казань, МТУ, 28 - 30 мая 2008 г.).

- Региональной научно-практической конференции «Технология, автоматизация, оборудование и экология», (г. Уфа, УГНТУ, 2008).

- XVin Научно-практической конференции молодых ученых и специалистов РКК «Энергия» (г. Королев, Московская область, 24 - 28 ноября

2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 в журналах, входящих в список ВАК РФ; 7 публикаций в трудах и материалах конференций; 1 свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ по теме диссертации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 152 страницах машинописного текста, включая 32 рисунков и 13 таблиц. Список использованной литературы включает 161 наименование и занимает 16 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цель и задачи исследования, излагаются результаты, выносимые на защиту, их новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен анализ особенностей физических процессов в структуре современных электронных компонентов, методов оценки чувствительности и NDI-методологии построения различных схемотехнических вариантов БРЭС, а также исследуются возможности современных информационных технологий для оценки робастности современных БРЭС.

Вторая главе посвящена разработке системы поддержки принятия реше-

ний при формировании облика сложных БРЭС с использованием COTS-продуктов, способных сохранять свои характеристики в широком диапазоне внешних воздействий. Проведенный в работе проблемный анализ позволил выявить следующую совокупность факторов, влияющих на эффективность разрабатываемых бортовых радиоэлектронных и систем.

Широкий диапазон внешних условий. При этом тот диапазон условий применения и режимов работы, при которых коммерческие компоненты в целом способны с заданной эффективностью выполнить поставленные задачи, значительно уже, чем бортовые условия эксплуатации. Поэтому характеристики БРЭС, построенных с использованием COTS-продуктов, являются неопределенными. Указанное обстоятельство задает степень неопределенности, в рамках которой реализуется процедура проектирования. В связи с этим достоверность выбора оптимального облика БРЭС существенно зависит от объема объективной информации относительно свойств разрабатываемых устройств.

Сложный характер электрофизических процессов, протекающих в электронных коммутирующих и измерительно-вычислительных устройствах, в том числе на квантовом уровне, например, интерметаллизация, ионная миграция и т.д.

Большое количество возможных проектных альтернатив, что обусловлено значительным числом схемотехнических вариантов реализации основных модулей, разнообразием способов объединения модулей в измерительно-вычислительные комплексы, а также существующими техническими, экономическими и прочими ограничениями.

Широкий спектр используемых электронных устройств, которые различаются по принципу действия: аналоговые, импульсные, цифровые; по области применения: силовые ключевые элементы, схемы их запуска и защиты, устройства управления, регулирования и диагностики; по сложности и мощности: от мижроэлектронных компонентов до мощных тиристоров.

Для систематизации и формализации всего множества факторов, которые описывают ситуацию, возникающую при оценке робастности БРЭС, была предложена математическая модель NDI-процедуры проектирования систем данного класса. Эта модель отображает взаимосвязь основных элементов процесса выработки решения и последовательность формирования частных задач исследования поведения COTS - продуктов в разнообразных условиях эксплуатации

{A,ua,H,G^W^). (О

В состав этой модели входят процедуры, объединенные в три основных этапа схемотехнического проектирования.

Этап прогнозирования представляет собой исследовательский процесс, в состав которого входят следующие процедуры.

Процедура формирования цели проектирования - А. Применительно к рассматриваемой задаче использования COTS - продуктов в бортовых условиях цель проектирования будет заключаться в обеспечении способности разрабатываемых изделий сохранять свои характеристики в заданном диапазоне внешних воздействий.

Процедура и формирования множества проектных альтернатив Х = {Х1,Х2,...,ХГ} задает совокупность детализированных до определенного уровня технических решений, которые удовлетворяют ограничениям и рассматриваются как возможные способы выполнения заданий.

Процедура Л формализации множества П = проектных и

© = {©!,©2,...,©Л тактических параметров. К числу проектных параметров относятся производственные спецификации, однозначно описывающих данный опорный вариант построения изделия. Тактические параметры - это совокупность внешних по отношению к проектируемому элементу условий с неизвестными заранее свойствами, а также связанные с ними процессы, протекающие в компонентах БРЭС.

Процедура Н моделирования исследуемого устройства в заданных условиях эксплуатации. Эта процедура занимает центральное место в задаче оценки робастности БРЭС. Для реализации этой процедуры вводится множество экспериментов У = {У],У2,...,Ут}, направленных на устранение неопределенности в оценках опорных вариантов, и множество Г= {у!,у2,.••>Чт} возможных результатов проведенных экспериментов. Множеству Г ставится в соответствие априорная оценка возможности наступления данного результата в виде совокупности условных функций распределения g¡(Г/©), выражающих суждения проектировщика о возможности получения результата Г в процессе осуществления эксперимента У/, при условии, что тактические параметры приняли значение ©. В свою очередь, для вероятностного описания тактических параметров используются функции распределения /(©), представляющие суждения проектировщика об относительном правдоподобии значений элементов множества © при выборе соответствующего опорного варианта.

Процедура <3 формирования критериев эффективности е = {51,е2,...,8 } состоит в задании такой совокупности оценочных функций, которая признается проектировщиком важной в отношении выполнения заданий изделия, является общей для всех опорных вариантов, отвечающих фиксированному уровню детализации изделия, и не может быть представлена в виде ограничений.

Итогом этапа прогнозирования является формирование совокупности оценочных функций, отражающих субъективное мнение проектировщика о соответствии опорпых вариантов предъявляемым к ним требованиям, которое образовалось в результате анализа возможных исходов экспериментов при учете неопределенных факторов:

ег=8,(Х,Г,Г,©),/ = 1,2.....р. (2)

Этап оценки включает в себя процедуру ХР математической обработки априорных характеристик с целью получения апостериорных зависимостей ф(в/Г,У) и ф(Г/Г). Далее, с использованием процедуры ¡^определяются ожидаемые значения оценочных функций применительно ко всем выявленным вариантам построения изделия

е(Х,У,Г,©) = НхХГ,©)р(0/Г,Г)ЛЭ, (3)

п

где О - область возможных значений параметров ©.

Процедура К позволяет сформировать приоритетное множество проектных альтернатив^*

е(Г,Г)= ех{г е(Х,Г,Г), (4)

Х'еХ

и рассчитать его оценки

е(Г)= |е(7,Г)ср(Г/^К, (5)

где Н - множество возможных исходов экспериментов.

Полученные значения оценочных функций используются для выбора оптимального эксперимента У*, обеспечивающего наилучшую ожидаемую величину критерия

г*=ех(ге(У). (6)

У*еГ

Этап принятия решения - завершающая стадия операции выбора оптимальной проектной альтернативы. Этот этап включает единственную процедуру 91, с помощью которой осуществляется найденный оптимальный эксперимент У* и фиксируется его результат Г*. С учетом осуществления оптимального эксперимента определяется опорный вариант построения БРЭС, для которого ожидаемое значение критерия будет максимальным

е(Х*,У*,Г*) = ех(г с(Х,У*,Г*), (7)

Для реализации процедуры Н моделирования исследуемых устройств в работе разработана обобщенная структурно-параметрическая модель БРЭС, учитывающая влияние неопределенных факторов внешней и внутренней среды.

Предполагается, что исходное описание исследуемого устройства задается его эквивалентной схемой в виде нелинейного реактивного многополюсника, обобщенные ветви которого включают следующие элементы базового набора: линейные и нелинейные емкости, индуктивности, резисторы, зависимые и независимые источники тока и напряжения. В качестве базиса математической модели используются векторы Д(, А и конечных отклонений токов и напряжений ветвей многополюсника, возникающие вследствие воздействия возмущающих факторов. Топология соединения электрических ветвей в^многополюснике описывается с помощью следующей совокупности уравнений

£) ■ Дг = 0; 5 ■ Ам = 0, (8)

где £> и В - соответственно, матрицы главных сечений и главных контуров топологического графа многополюсника.

В свою очередь, совокупность параметрических уравнений, устанавливающая взаимосвязь отклонений токов и напряжений для всех электрических ветвей многополюсника, представлена в следующем виде

А иш =/( М„2 ), Л»'я, = ¥ Аину) > где Ди№. Аг'яг - векторы отклонений напряжений и токов для г-ветвей много-

полюсника размерности пг; АиНу, МНу - аналогичные величины для у-ветвей размерности пу (п2 + пу = п); /(•), ф(») - в общем случае нелинейные дифференциальные операторы, вид которых определяется характером соответствующей электрической ветви. В работе получены параметрические уравнения в конечных приращениях для всех элементов базового набора.

Проведенный анализ обобщенной структурно-параметрической модели БРЭС позволил сделать вывод о том, что в случае, когда топология многополюсника удовлетворяет ограничениям

• замкнутый контур не может состоять из одних у-ветвей;

• сечение не может содержать только г-ветви,

за счет декомпозиции векторов приращений токов и напряжений следующего вида

Аи = \ъи1:,Аи$,Аи$,Аи£,Аи%,Ьи$; АI = [д/&Д/£,Д/£,,

можно получить алгоритмически разрешимую интервальную математическую модель в сокращенном гибридном базисе

d_ dt

AU'c Aif

= Gi

д и* A/fj

д и-

All

я

+ PffE3>

рх(мАнли'я)-

AU Ali

= Д

AU,

AI

(10)

+ F,

НЕЗ-

Здесь ДUf, Ali ~ приращения напряжений и токов на индуктивных хордах; AUq, A- приращения напряжений и токов на емкостных ребрах; AU%, ДС/д, Д/д, Д/д - приращения напряжений и токов на резистивных ребрах и хордах; ДС/#, AU^, Д, AI?j - приращения напряжений и токов на нелинейных ребрах и хордах.

Алгоритмическая разрешимость полученной модели обусловлена структурой системы уравнений (10), которая допускает поэтапное интегрирование интервальных дифференциальных уравнений и решение интервальных нелинейных алгебраических уравнений на каждом шаге интегрирования.

На базе описанной NDI-процедуры исследования поведения COTS - продуктов в заданных условиях эксплуатации : и обобщенной структурно-параметрической модели БРЭС разработана система поддержки принятия решений (СППР) при оценке робастности БРЭС на базе COTS-продуктов, структурная схема которой представлена на рисунке 1.

Представленная структура СППР состоит из 12 основных блоков и модулей. Блок 1 представляет собой автоматизированное рабочее место лица, принимающего решение (АРМ ЛПР). В этом блоке реализуются процедуры формирования цели проектирования, формирования множества проектных альтернатив, а также формирования критериев эффективности.

Блок 2 (АРМ эксперта) используется для формализации множества проектных и тактических параметров, возможных экспериментов и их результатов,

а также априорные оценки, представляющие суждения экспертов об относительном правдоподобии значений элементов этих множеств.

т

(7) дяг

ЖСМ/ШЙ

Г-иг твт

ди

•^-Хльсжу ^^евчяар

!т1 Заята Шп ноЗт»

'¡лп фидннроШм 'С/нгчмг ф(тш/

' Вш фвениреШм жчсяЛв армв»-т ¥ тжпнсгаг

яувнгяред рмг ффичреШм юмерш я/тг

Ше

шхкти яхмршмт! ч

Рисунок 1 - Схема СППР при оценке робастности БРЭС Информация, полученная от ЛПР и экспертов, и обработанная, соответственно в блоках 1 и 2, поступает в редактор базы данных (блок 3) и редактор банка моделей (блок 4), где используется для уточнения характеристик элементов базового набора, их моделей, а также параметров эквивалентных физических схем используемых полупроводниковых СОТБ-продуктов.

Скорректированная информация заносится в базу данных (блок 5) и банк моделей (блок 6). В блоке 7 оценки проектной ситуации реализуются процедуры математической обработки априорных характеристик с целью получения апостериорных зависимостей и вычисления ожидаемых значений оценочных функций применительно ко всем выявленным вариантам построения изделия, используемым типам шкал, виду критерия оптимальности (векторный, скалярный), режимам работы исследуемого устройства - квазилинейный режим малого сигнала при расчете по переменному току (режим 1), режим большого сигнала при расчете по постоянному току ¿ежим 2), квазилинейный режим малого сигнала при расчете во временной области (режим 3), динамический режим для большого сигнала при расчете во временной области (режим 4).

Блок 8 формирования сценария на основе информации, поступающей из

блока 7, генерирует последовательность исследовательских процедур, направленных на выявление оптимального схемотехнического варианта построения исследуемого устройства.

Модуль логического вывода 9 позволяет сформировать приоритетное множество проектных альтернатив применительно к различным типам используемых переменных (дискретных, непрерывных и интервальных). В модуле оптимизации 10 производится выбор оптимального эксперимента и опорного схемотехнического варианта исследуемого устройства. Модуль моделирования 11 реализует выбранную совокупность исследовательских процедур для получения дополнительной информации о поведении исследуемого устройства в заданных условиях эксплуатации.

Вся совокупность полученной информации поступает в блок интерпретации результатов 12 и направляется на АРМ ЛПР для принятия решения о выборе соответствующего варианта разрабатываемого изделия или запуска нового цикла исследований.

В третьей главе проводится детальное исследование Ж)1-процедур анализа робастности БРЭС для типовых режимов функционирования, включая формирование соответствующих математических моделей в конечных приращениях и разработку вычислительных алгоритмов, позволяющих находить интервальные характеристики исследуемых устройств. Рассматриваются следующие типы №)1-процедур для основных классов и режимов функционирования бортовых радиоэлектронных систем на основе СОТЗ-продуктов:

- исследование робастности для режима «малого» сигнала при расчете БРЭС по переменному току;

- исследование БРЭС в режиме большого сигнала при расчете по постоянному току (статический режим);

- исследование разброса временных характеристик БРЭС (динамический режим).

В зависимости от выбранного режима исходпая модель исследуемого устройства будет представлять собой электрический многополюсник одного из следующих видов: линейный резистивный, нелинейный резистивный и линейный реактивный. При этом общей методологической основой исследования всех перечисленных видов моделей является их описание в базисе конечных отклонений токов и напряжений, что позволяет оценить способность устройства сохранять свои характеристики в заданных пределах при наличии возмущающих воздействий ^неопределенными заранее свойствами. В отличие от задачи оценки чувствительности здесь приходится иметь дело с конечными отклонениями электрических параметров, которые по величине могут быть сопоставимы с их расчетными значениями. Данное обстоятельство определяет особенности предлагаемых информационных технологий, позволяющих оценивать робастность проектируемого устройства.

Специфика исследования робастности для режима «малого» сигнала по переменному току заключается в том, что расчет проводится в некоторой окрестности номинального рабочего режима. В связи с этим используются локальные линейные высокочастотные модели. Замена реактивных элементов эквива-

лентной схемы комплексными сопротивлениями или проводимостями позволяет рассматривать полученные схемы замещения как линейные резистивные многополюсники с зависимыми и независимыми источниками тока и напряжения

Дик=БГ +ЯГ(Л'/) + £Г(лО+2иД**, к = \,2.....т, (11)

где гкк=(гк+Агк), Е"к" = А?«»/ + ('*"Л ) ~ (яь+^ь- )>*,

Е3кГ(М,)=(чк1+^и)^^к1М1, (Ч(2к+^кЬкг+&8кг" ^интервальные значения комплексных сопротивлений электрических ветвей, а также эквивалентных независимых и зависимых источников напряжения, вычисленные в соответствии с приведенными соотношениями по правилам интервальной арифметики Каухера (полной интервальной арифметики).

В работе показано, что использование параметрических уравнений (11) совместно с топологическими уравнениями позволяет получить математическую модель исследуемого устройства в сокращенном однородном базисе, например, в базисе контурных токов

[в2ВТ)м = -ВЕне\ (12)^

где 2 - интервальная матрица эквивалентных комплексных сопротивлений, Л/ - вектор отклонений контурных токов.

Проведенный в работе анализ вычислительных алгоритмов, позволяющих находить внешние интервальные оценки, совпадающие с интервальной оболочкой решения (12), т.е. с наименьшим по включению интервальным вектор-брусом, объемлющим ЛЛ показал, что задача нахождения таких оценок является ЫР-трудной. В связи с этим предлагается использовать интервальное расширение метода Гаусса, которое не накладывает требование получения оценок, правильно передающих границы. Несмотря на то, что треугольное разложение интервальной матрицы в левой части системы (12) с помощью данного метода не может быть получено, но из свойства монотонности интервальной арифметики по включению следует, что результат выполнения интервальных операций содержит все возможные результаты применения точечных операций к точечным данным, содержащимся в задаваемых системой (12) интервалах. Следовательно, результат применения интервального метода Гаусса к интервальной системе линейных алгебраических уравнений (12) содержит объединенное множество решений данной системы.

Второй Ш1-процедурой является расчет по постоянному току в режиме большого сигнала (анализ статического режима), который проводят для определения параметров рабочей точки нелинейных электронных приборов, а также других параметров установившегося режима.

Эквивалентная схема исследуемого устройства в данном режиме не содержит реактивных элементов - емкостей или индуктивностей, поэтому она представляет собой нелинейный резистивный многополюсник, математические модель ветвей которого имеют вид: - для линейного резистора: г-ветвь Ли = Еднез + {К+ АЯ)А1, где Елнгз=1н АЯ;

у-ветвь = + {у + АУ)Ли, где Гягз=инАУ; - для нелинейного резистора:

г-ветвь Ли = ЕИнез +г(/Н), где Ент, =ив(¡н)-ин{{„), г(/И) - интервально заданное зависимое сопротивление;

у-ветвь, = + У(Аи), где, Гна =/в(м„)-г„(мя), Г(Лн) - интервально заданная зависимая проводимость.

Здесь, ив, ин, г'в, /м, соответственно, напряжения и токи для возмущенного и номинального режимов.

В результате искомая математическая модель электрического многополюсника в статическом режиме «большого» сигнала может быть представлена интервальной системой нелинейных алгебраических уравнений следующего вида

г(л1$)=

у(д ирн)=р2-

а иРн

НЕЗ>

АI

н .

НЕЗ >

(13)

где у(а[/£) - нелинейные интервальные вектор-функции, Д, Д17^

- векторы отклонений, соответственно, токов нелинейных хорд и напряжений нелинейных ребер, Ри Рг - интервальные матрицы коэффициентов, , рЦгз

- интервальные векторы свободных членов.

Как показывают исследования при решении нелинейных интервальных систем алгебраических уравнений (13), наибольшее распространение получили интервальный метод Ньютона и метод Кравчика. Однако, интервальный метод Ньютона имеет недостаток, суть которого заключается в том, что приемлемые внешние интервальные оценки решений могут быть получены только в том случае, если исходная ширина интервалов \у1ё(д£/^) и \\ас!(д/^) достаточно мала. В связи с этим предлагается итерационный вычислительный алгоритм, базирующийся на методе Кравчика

"А/£" / "А!§' \ Г) "А1Хн~

= 3

АС/5. ¿+1 \ АиЦ к. Д<

(14)

где 31 [А/д

;Г)

Аин]к - оператор Кравчика следующего вида:

А

здесь /

=1Ш(1

щ

А VI

А/я

ДII]

НА

-сг

пис!

АI

у(Аирн\

_Аи,

|А

Н Р

1-еТ

А1$

А иРн.

х

А/, А ир„

-mid

ДI*

А<

А1ХН А VI

^НЕЗ

7?"

1РНЕЗ.

, С — неособенная вещест-

венная матрица весовых коэффициентов, элементы которой выбираются эмпи-

рнческим путем для улучшения сходимости метода.

Расчет разброса динамических характеристик БРЭС во временной области базируется на исследовании электромагнитных процессов, протекающих в реактивных элементах эквивалентной схемы - емкостях и индуктивностях. В связи с этим указанные элементы выделяются в особые ветви, параметрические уравнения которых представляют собой интервальную форму записи дифференциальных уравнений следующего вида:

-дляемкостей: где J,,a(ty=^C^^;

dAi(t) т. ^ \ а у ¿'н(О

- для индуктивностей: Аи^Е^ЩЬ+Щ—где ^ .

В случае, когда что топология особых ветвей удовлетворяет следующим ограничениям:

- отсутствуют независимые контура, целиком состоящие из емкостей, либо из емкостей и источников тока;

- отсутствуют независимые сечения, целиком состоящие из индуктивностей, либо из индуктивностей и источников напряжения,

математическую модель БРЭС можно представить в виде канонической системы дифференциальных уравнений первого порядка

I- АП Г" п1 Г

d_ dt

AUPC

М.

= öi

ЛиРс Ml

+ F» (15)

О L С О

где AUс, Alf - векторы отклонений напряжений на емкостях и токов в индуктивностях, L = diag{Lk + ALk}, С = diag{C, +АС,}- интервальные матрицы индуктивностей и емкостей (к = 1 ,nf , I = 1,и£ , nf, - количество индуктивностей и емкостей в эквивалентной схеме), Q\ - матрица интервальных коэффициентов, FhE3 - интервальный вектор эквивалентных источников электромагнитной энергии.

Учитывая полученную форму записи математической модели, в качестве вычислительного алгоритма расчета разброса временных характеристик БРЭС предлагается использовать интервальную модификацию метода Эйлера на основе интервальной арифметики Каухера.

В четвертой главе приводится описание разработанного программного комплекса поддержки принятия решешш при анализе робастности БРЭС (см. рисунок 2). В структуре программной системы можно выделить два основных блока: интерфейсный и аналитический. Интерфейсный блок обеспечивает взаимодействие пользователя с программой, а также взаимодействие между основными органами управления и элементами алгоритмического блока.

Интерфейсный блок включает в себя модули Main.pas, Params.pas и About.pas, которые представляют собой программные части описания оконных форм, а также модуль StringProcedures.pas, который является вспомогательной библиотекой, содержащей функции работы со строками.

Модуль Main.pas является модулем главной оконной формы (см. рисунок

3). В его задачи входит реализация диалогового режима.

Рагатз.рав является модулем оконной формы, предназначенной для задания параметров №Э1-процедур.

I Стандартный модуль , ! Types ' I

Интерфейсный блок

Модуль StrmgProcedBres.pas

X

Рисунок 2 - Структура программной системы

В основе всех вычислений, реализуемых в модулях алгоритмического блока, лежат матричные операции, включая операции над интервальными матрицами. В связи с этим был разработан специальный модуль {matrixJib.pas). Этот модуль позволяет создавать матрицы произвольных размерностей и выполнять над ними соответствующие операции.

1- —

ШШй

ЕЕ

Ы о»!

Î-Ш. "vS^.- jl>\ Li

: v "-ч*. г j .¡ v..

I "fl

Рисунок 3 - Внешний вид основной оконной формы программы

В качестве примера, позволяющего оценить эффективность предлагаемого в диссертации подхода к оценке робастности БРЭС на базе СОТБ-продуктов, был рассмотрен сценарий выбора оптимальной схемы электронного усилителя. Результаты сравнительного анализа робастности схемотехнических вариантов приведены на рисунке 4. Сопоставление величины разброса амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) этих устройств позволил выбрать наиболее целесообразный схемотехнический вариант.

а) 6)

Рисунок 4 - Графики отклонений АЧХ для исследуемых схем

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработана система поддержки принятия решений, позволяющая выбирать схемотехнический вариант БРЭС на базе COTS-продуктов, способный сохранять свои характеристики в заданных условиях эксплуатации.

2. Разработана методика оценки робастности БРЭС, включающей совокупность NDI - процедур исследования поведения COTS - продуктов в заданных условиях эксплуатации.

3. Разработана обобщенная структурно-параметрическая модель БРЭС, 1 учитывающая влияние неопределенных факторов внешней и внутренней среды.

4. Разработана совокупность вычислительных алгоритмов, реализующих | NDI - процедуры анализа робастности БРЭС для типовых режимов функционирования.

5. Разработан программный комплекс поддержки принятия решений при I анализе робастности БРЭС, позволяющий автоматизировать трудно формализуемые этапы схемотехнического проектирования, от которых зависит потенциальная эффективность разрабатываемых изделий.

6. Применение методики, моделей и алгоритмов оценки робастности сложных БРЭС на базе COTS-продуктов позволяет снизить затраты на производство новых систем бортового оборудования из-за использования более де-

| шевых компонентов массового производства, а также сократить время, затраченное на расчетно-теоретические работы при проектировании систем названного класса в среднем на 20-30 %, что приводит к снижению стоимости радиоэлектронной аппаратуры.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых журналах из перечня ВАК

1. Вычислительная процедура исследования чувствительности временных характеристик энергетических комплексов/А. В. Бондарев//Системы управления и информационные технологии. 2008. № 2(32). С. 21-24.

2. Исследование робастности электронных устройств измерительно-

вычислительных систем/В. Н. Ефанов, А. В. Бондарев//Информационно-измерительные и управляющие системы. №4. т. 8.2010. С. 51-58.

3. Анализ робастности бортового оборудования на основе COTS-продуктов/В.Н.Ефанов, А.В.Бондарев// Вестник СГАУ: науч. журнал Са-марск. гос. аэрокосм, ун-та. СГАУ, 2010. № 4 (24). С. 132-141.

4. Системы поддержки принятия решении при оценке робастности бортовых радиоэлектронных комплексов/ В. Н. Ефанов, А. В. Бондарев// Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2011. № 3. С. 8-16.

В других изданиях

5. Чувствительность источников вторичного питания к изменению входных параметров/ А. В. Бондарев // Инновации в интеграционных процессах образования, науки, производства - Сб. научн. тр. Всерос. научн. конф. Уфа: Ги-лем. 2007. С. 140-144.

6. Методы и подходы к проектированию новых систем/Бондарев A.B.// «Системный анализ в проектировании и управлении»: тр. XI Междунар. науч.-практ. конф. Ч.З. СПб.: изд-во Политехи, ун-та, 2007. С.114-118.

7. Проблемы принятия решений после построения моделей технического эксперимента/А. В. Бондарев, С. В. Федоров// Инновации в интеграционных процессах образования, науки, производства: сб. науч. тр. Всерос. науч. конф. Уфа: Гилем. 2007. С. 172-176.

8. Особенности проблемного анализа при НИР по проектированию бортовых источников питания/ А. В. Бондарев// Инновационная роль науки в подготовке современных технических кадров: тр. междунар. науч.-практ. конф. Караганда: изд-во КарГТУ. 2008. Вып. 1. ч. 2. С. 78-84.

9. Современное состояние и прогноз развития приборов силовой электроники/А. В. Бондарев, А. А. Зиганшина// Инновации в интеграционных процессах образования, науки, производства: сб. науч. тр. Всерос. науч. конф. Уфа: Гилем. 2009. С. 102-104.

10. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2009616427. Программа для расчета одномостового симметричного резонансного инвертора. А. В. Бондарев, В. Н. Ефанов, Д. Ю. Смирнов. Заявл. 30.09.2009 г. М: Роспатент, 2009.

11. Математические модели полупроводниковых элементов в заданном диапазоне изменения параметров/ А. В. Бондарев// Матер. XVIII науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов РКК «Энергия» им. С. П. Королева. Серия ХП. Вып. 1. Королев. 2010. С. 65-68.

12. Поддержка принятия решений при исследовании робастности систем управления/ А. В. Бондарев// Развитие научной деятельности в малых городах на основе сотрудничества с малыми предприятиями и участниками Болонского процесса: матер, междунар. науч.-практ. конф. Уфа: Вагант. 2011. С. 20-26.

Диссертант ¿2.0^/' А. В. Бондарев

БОНДАРЕВ Андрей Владимирович

СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ ОЦЕНКЕ РОБАСТНОСТИ СЛОЖНЫХ БОРТОВЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ НА БАЗЕ СОТБ-ПРОДУКТОВ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 05.09.2011. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Уч. - изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 201

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул.К. Маркса, 12

61 11-5/3253

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический

университет»

Бондарев Андрей Владимирович

СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ ОЦЕНКЕ РО-БАСТНОСТИ СЛОЖНЫХ БОРТОВЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ НА БАЗЕ COTS - ПРОДУКТОВ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка

информации (в промышленности)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д. т. н., профессор Ефанов Владимир Николаевич

Уфа 2011

Содержание

Введение.....................................................................................4

Глава 1. Анализ возможностей построения и использования БРЭС на базе

COTS-продуктов.........................................................................10

1.1. Актуальность проблемы использования БРЭС на базе COTS-продуктов........................................................................10

1.2. Анализ особенностей структурных и функциональных принципов построения БРЭС на базе COTS-продуктов..............................23

1.3. Методы схемотехнического анализа БРЭС на основе COTS-продуктов.........................................................................29

1.4. Исследование возможностей современных информационных технологий для оценки робастности БРЭС......................................39

Выводы по первой главе...............................................................48

Глава 2. Разработка методического и алгоритмического обеспечения системы

поддержки принятия решений при оценке робастности БРЭС..............50

2.1 Разработка методики оценки робастности БРЭС на базе NDI -процедур исследования поведения COTS - продуктов в заданных условиях эксплуатации...........................................................51

2.2 Построение совокупности математических моделей в конечных приращениях для базового набора элементов БРЭС.....................62

2.3 Формирование обобщенной структурно-параметрической модели БРЭС с учетом влияния неопределенных факторов внешней и внутренней среды.....................................................................71

2.4 Разработка алгоритма поддержки принятия проектных решений на основе оценки робастности БРЭС........................................80

Выводы по второй главе..................................................................95

Глава 3. Разработка вычислительных алгоритмов, реализующих N01 -процедуры анализа робастности БРЭС для типовых режимов

функционирования......................................................................96

3.1. Вычислительный алгоритм Ж)1-процедуры анализа робастности БРЭС для режима «малого» сигнала........................................97

3.2. Вычислительный алгоритм Ж)1-процедуры анализа робастности БРЭС для статического режима............................................109

3.3. Вычислительный алгоритм ЖЯ-процедуры анализа робастности БРЭС для динамического режима.........................................119

Выводы по третьей главе.............................................................126

Глава 4. Разработка программного комплекса принятия решений при оценке робастности БРЭС.....................................................................128

4.1. Инженерная методика проектирования БРЭС и оценка эффективности ее использования........................................................128

4.2. Сравнительный анализ робастности схем электронного усилителя по их амплитудно-частотным характеристикам..........................138

4.3. Алгоритмическое обеспечение процедуры исследования робастности БРЭС......................................................................142

4.4. Структура и состав программного комплекса оценки робастности БРЭС...........................................................................145

Выводы по четвертой главе.........................................................149

Основные результаты и выводы....................................................150

Список использованных источников..............................................152

Приложение А. Базовый набор элементов........................................168

Приложение Б. Эквивалентные схемы в приращениях для элементов базового

набора...................................................................................170

Приложение В. Акт внедрения результатов исследования..................172

Введение

Актуальность темы. В последнее время при разработке бортовых радиоэлектронных систем (БРЭС) широко используются готовые к применению модули коммерческого исполнения (Commercial Off The Shelf - COTS). К числу проектов с применением COTS-продуктов относится целый ряд авиационных (самолеты F/A 18, AV8B, F-117A, F-22, Nimrod MRA4, Harrier, Tornado, беспилотный самолёт Global Hawk, экспериментальный гиперзвуковой самолет NASA Х-33) и космических (станция ALPHA, космические челноки Space Shuttle, автоматический космический аппарат Pathfinder) изделий. Указанная тенденция обусловлена тем, что COTS-продукты отличаются более обширной номенклатурой, низкими ценами, более короткими сроками разработки и модернизации, лучшей программной поддержкой, преемственностью, которая препятствует моральному устареванию используемых технологий и обеспечивает тем самым больший срок эксплуатации. Однако все эти многочисленные преимущества обесцениваются при ужесточении условий эксплуатации, когда использование стандартных серийных компонентов становится невозможным. В связи с этим большинство отечественных и зарубежных разработчиков БРЭС проводят исследования, направленные на то, чтобы гарантировать возможность применения стандартных изделий в расширенных условиях эксплуатации. В результате была предложена методология NDI (Non-Developmental Item) «неразрабатываемых заново» изделий, гарантирующая полную совместимость модулей коммерческого (гражданского) и бортового (военного) назначения. Одним из ключевых положений этой методологии является оценка способности разрабатываемых изделий сохранять свои характеристики в широком диапазоне внешних воздействий. Подобные исследования должны охватывать все этапы проектирования и, в первую очередь, этап схемотехнического проектирования, где формируется основная концепция построения изделия, проводится анализ условий экс-

плуатации для оценки эффективности изделия в выявленных условиях. Важный вклад в развитие теории и практики построения высокоэффективных радиоэлектронных комплексов, в том числе предназначенных для применения на борту летательных аппаратов, внесли видные отечественные ученые и конструкторы Абутидзе З.С., Анцев Г.В., Белый Ю.И., Голованов H.A., Заха-ревич А.П., Зеленюк Ю.И., Крюков С.П., Кузнецов А.Г., Макаров H.H., Но-ренков И.П., Парамонов П.П., Петренко А.И., Подоплекин Ю.Ф., Сабо Ю.И., Сарычев В.А., Сигорский В.П., Синани А.И., Солдаткин В.М., Турчак A.A., Хвощ С.Т. и др.

Вместе с тем, ряд важных аспектов, связанных с принятием проектных решений при создании БРЭС на базе COTS-продуктов, нуждается в дополнительных исследованиях. Дело в том, что принимать подобные проектные решения приходится в условиях неопределенности, поскольку заранее неизвестно, как поведут себя модули коммерческого (гражданского) исполнения в бортовых условиях эксплуатации. При этом существующие системы поддержки принятия решений не позволяют снизить неопределенность в оценке проектных альтернатив до уровня, гарантирующего выполнение требований к величине разброса схемотехнических характеристик разрабатываемых устройств. Указанное обстоятельство обуславливает актуальность сформулированной темы диссертационной работы, направленной на разработку системы поддержки принятия решений на основе оценки робастности сложных БРЭС с использованием COTS-продуктов.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности БРЭС за счет использования COTS - продуктов, способных сохранять свои характеристики в широком диапазоне внешних воздействий.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка системы поддержки принятия решений при формирова-

5

нии облика сложных БРЭС с использованием COTS-продуктов, способных сохранять свои характеристики в широком диапазоне внешних воздействий.

2. Разработка методики оценки робастности БРЭС, включающей совокупность NDI - процедур исследования поведения COTS - продуктов в заданных условиях эксплуатации.

3. Разработка обобщенной структурно-параметрической модели БРЭС, учитывающей влияние неопределенных факторов внешней и внутренней среды.

4. Разработка совокупности вычислительных алгоритмов, реализующих NDI - процедуры анализа робастности БРЭС для типовых режимов функционирования.

5. Разработка программного комплекса анализа робастности БРЭС.

Методическая база и методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории принятия решений, системного анализа, методы решения систем интервальных линейных (методы Гаусса и Хаусхолдера), нелинейных (методы Ньютона и Кравчика) и дифференциальных уравнений (метод Эйлера), методы интервальной арифметики Кахана и Каухера, а также метод построения схем в конечных приращениях.

Объектом исследования являются сложные бортовые радиоэлектронные системы, построенные с использованием готовых к применению модулей коммерческого исполнения.

Предмет исследования: теоретические и прикладные вопросы принятия решений при проектировании, анализе и моделировании сложных бортовых радиоэлектронные систем с цель повышения эффективности функционирования за счет использования готовых к применению модулей коммерческого исполнения.

Основные научные результаты, выносимые на защиту.

1. Система поддержки принятия решений при формировании облика сложных БРЭС с использованием COTS-продуктов, способных сохранять

6

свои характеристики в широком диапазоне внешних воздействий.

2. Методика оценки робастности БРЭС, включающая совокупность NDI - процедур исследования поведения COTS - продуктов в заданных условиях эксплуатации.

3. Обобщенная структурно-параметрическая модель БРЭС, учитывающая влияние неопределенных факторов внешней и внутренней среды.

4. Совокупность вычислительных алгоритмов, реализующих NDI -процедуры анализа робастности БРЭС для типовых режимов функционирования.

5. Результаты оценки эффективности предложенной системы поддержки принятия решений с использованием программного комплекса анализа робастности БРЭС.

Научная новизна.

1. Используемый в системе поддержки принятия решений алгоритм отличается тем, что позволяет снизить неопределенность в оценке возможных вариантов построения БРЭС за счет выбора и осуществления оптимального эксперимента на основе прогноза предполагаемых результатов.

2. Методика оценки робастности БРЭС отличается тем, что она содержит функционально полную совокупность NDI - процедур, которые позволяют на этапе схемотехнического проектирования выяснить возможность применения стандартных изделий в расширенных условиях эксплуатации.

3. Обобщенная структурно-параметрическая модель БРЭС, отличается тем, что она гарантирует алгоритмическую разрешимость систем уравнений, записанных в конечных приращениях.

4. Новизна вычислительных алгоритмов, реализующих NDI - процедуры анализа робастности БРЭС для типовых режимов функционирования, обусловлена применением интервальных методов решения дифференциальных и алгебраических уравнений с использованием полной арифметики Каухера, что позволяет получать внешнюю интервальную оценку решения,

максимально приближенную к интервальной оболочке этого решения.

Практическая значимость и внедрение результатов исследований.

1. Система поддержки принятия решений при формировании облика сложных БРЭС с использованием COTS-продуктов позволяет снизить затраты на производство новых систем бортового оборудования из-за использования более дешевых компонентов массового производства, увеличить срок эксплуатации за счет лучшей мобильности, переносимости и интеропера-бельности COTS-продуктов, что препятствует моральному устареванию используемых технологий.

2. Методика оценки робастности БРЭС, включающая совокупность NDI - процедур исследования поведения COTS - продуктов, позволяет сократить время, затраченное на расчетно-теоретические работы при проектировании бортовых устройств, предназначенных для использования в жестких условиях эксплуатации.

3. Практическая значимость обобщенной структурно-параметрической модели БРЭС, учитывающей влияние неопределенных факторов внешней и внутренней среды, заключается в значительном сокращении временных и материальных ресурсов, затрачиваемых на макетирование и проведение экспериментальных исследований с целью снижения уровня неопределенности в оценке проектных альтернатив.

4. Полученная в работе совокупность вычислительных алгоритмов, реализующих NDI - процедуры анализа робастности БРЭС для типовых режимов функционирования, позволяет адекватно оценивать диапазон изменения характеристик исследуемых устройств, что создает предпосылки для расширения области применения COTS-продуктов в оборонных и аэрокосмических системах.

5. Практическая значимость программного комплекса анализа робастности БРЭС заключается в том, что он позволяет автоматизировать трудно формализуемые этапы схемотехнического проектирования, от которых зави-

8

сит потенциальная эффективность разрабатываемых изделий.

Практическая значимость результатов диссертационной работы подтверждается внедрением в производственную деятельность ФГУП КумАПП (г. Кумертау).

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах:

XI Международной научно-технической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении», (г. Санкт-Петербург, 28-30 июня 2007 г.).

XXXIV Международной молодежной научной конференции «Гага-ринские чтения», (г. Москва, 1-5 апреля 2008 г.).

XVI Международной научно-практической молодежной конференции «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ, 28 - 30 мая 2008 г.).

Региональной научно-практической конференции «Технология, автоматизация, оборудование и экология», (г. Уфа, УГНТУ, 2008).

XVIII Научно-практической конференции молодых ученых и специалистов РКК «Энергия» (г. Королев, Московская область, 24 - 28 ноября 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 в журналах, входящих в список ВАК РФ; 7 публикаций в трудах и материалах конференций; 1 свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ по теме диссертации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 152 страницах машинописного текста, включая 34 рисунков и 13 таблиц. Список использованной литературы включает 161 наименование и занимает 16 страниц.

Глава 1. Анализ возможностей построения и использования БРЭС на базе СОТ8-продуктов

Современные бортовые радиоэлектронные системы (БРЭС) представляют собой сложное сочетание высокотехнологических узлов, блоков и систем, а также структуры взаимосвязей между ними. При этом каждая из составляющих, в зависимости от ее места в общей структуре, может оказывать значительное влияние на рабочие характеристики всего БРЭС.

В данной главе проводится анализ особенностей физических процессов в структуре современных электронных компонентов, методов оценки чувствительности и Ж)1-методологии построения различных схемотехнических вариантов БРЭС, а также исследуются возможности современных информационных технологий для оценки робастности современных БРЭС, обладающих следующими особенностями:

1 сложная структура;

2 большое количество вариантов решения поставленной проектной задачи;

3 наличие в процессе проектирования нескольких этапов, подразумевающих различную степень детализации задачи;

4 наличие набора неопределенных факторов, влияющих на качество принимаемых в процессе разработки решений;

5 длительные сроки проектирования, делающие затруднительным детальное планирование всего проекта в целом;

6 высокая общая стоимость разработки.

1.1. Актуальность проблемы использования БРЭС на базе СОТ8-продуктов

Главная проблема, с которой сталкиваются разработчики БРЭС при использовании стандартных серийных компонентов, заключается в обеспе-

чении их работоспособности в жестких бортовых условиях эксплуатации. Дело в том, что температурный диапазон эксплуатации COTS-продуктов лежит, как правило, в пределах от 0 до +60 °С. Модули, выполненные с использованием коммерческих компонентов, предусматривают воздушное охлаждение в соответствии с IEEE1101.1. Стоечное или настольное исполнение таких модулей не может быть использовано для большинства бортовых систем. В свою очередь, номинальный температурный диапазон эксплуатации специальных бортовых модулей составляет -55 +105 °С (при использовании чисто военных компонентов этот диапазон увеличивается до -55 +125 °С). Модули выполняются с использованием контактного охлаждения в соответствии с IEEE 1101.2, отличаются наиболее жесткими механическими характеристиками для обеспечения заданных противоударных и антивибрационных свойств. Кроме того, к таким изделиям предъявляются повышенные требования по устойчивости к климатическим и высотным условиям эк