Этапы и виды проектных работ. Блочно-иерархический подход к проектированию

Лекция 2

Проектные работы можно разделить во времени и видам работ. Определённые виды работ разделяют по подразделениям проектной организации. Создание документации на новый образец продукции во времени можно классифицировать следующим образом.

Распределение работ между подразделениями проектной организации удобно производить на основе блочно-иерархический подход к проектированию (БИП) [1]. Кроме этого, БИП удобен для решения задач автоматизации процесса проектирования.

При разработке программного обеспечения для автоматизации процесса проектирования желательно, чтобы элементы модели проектируемой системы имели примерно одинаковый уровень сложности по степени детализации описываемых свойств. Без соблюдения этого условия крайне затруднено использование единого математического аппарата для описания функциональных моделей. Следовательно, модельное описание должно состоять из нескольких иерархических уровней, которые формируются по степени сложности или по признаку единства математического аппарата, используемого для моделирования. Это особенно важно для ОЭП, которые являются сложными системами, состоящими из разнородных элементов.

Из вышеизложенного следует, что, для упрощения процесса проектирования ОЭП требуется использование блочно-иерархического подхода (БИП) к проектированию [21]. Суть этого подхода основана, во-первых, на разделении процесса проектирования на аспекты, которые определяются видами работ, выполняемых при проектировании. Во-вторых, в каждом аспекте производится структурирование описания объекта проектирования путём разделения его модельного описания на ряд иерархических уровней по степени детальности отображения свойств объекта и его частей. Совокупность постановок задач проектирования, математических моделей, и методов получения проектных решений называют уровнем проектирования. Каждому иерархическому уровню присущи свои формы документации, математический аппарат для описания функциональных моделей и алгоритмы исследований.

При проектировании ОЭП можно выделить следующие аспекты [21, 22]: функциональный, алгоритмический, конструкторский и технологический. Функциональный аспект проектирования включает в себя виды работ, направленные на выпуск документации, отражающей принцип действия ОЭП. Алгоритмический аспект направлен на разработку программно-аппаратных средств, обеспечивающих требуемый алгоритм функционирования прибора или системы, в состав которой входит ОЭП. Конструкторский аспект включает виды работ по созданию документации, необходимой для изготовления ОЭП или системы. Технологический аспект заключается в разработке документации, связанной с технологической подготовкой производства для выпуска изделий.

В данной работе рассматриваются вопросы в рамках функционального аспекта проектирования. Как отмечено выше, применение метода, базирующегося на концепции БИП, предполагает структурирование описания объекта проектирования на иерархические уровни по степени детальности отображения его свойств и отдельных частей.

В соответствии с БИП предложено разделить функциональный аспект проектирования ОЭП на ряд иерархических уровней: функционально-логический, системотехнический, схемотехнический и компонентный (см. рис. 1.1). При нисходящем проектировании высшим является функционально-логический уровень. Входным (исходным) описанием объекта проектирования для каждого иерархического уровня является соответствующее ТЗ.

Рис. 1.1. Иллюстрация блочно-иерархического подхода к проектированию

Проектирование на каждом из уровней заключается в синтезе структурных схем, задании функциональных моделей каждого из элементов этих структурных схем и, определении на основе этого, вектора переменных проектирования .

Результатом выполнения проектных работ на каждом вышестоящем иерархическом уровне являются ТЗ для выполнение задач проектирования на нижестоящем уровне.

Следует иметь в виду, что на начальном этапе проектирования, структурные схемы могут в той или иной степени отличаться от схем, определенных требованиями ЕСКД, т.к. структурное описание синтезируется проектантом из соображений рационального математического описания свойств объекта проектирования.

Для каждого иерархического уровня задача оптимального проектирования заключается в синтезе такой структурной схемы и определении таких значений переменных проектирования, которые в наибольшей степени соответствуют технико-экономическим критериям оптимальности, сформулированным в ТЗ. Таким образом, при проектировании под оптимальным решением понимают лучшее с точки зрения ТЗ проектное решение, при существующих условиях для его реализации [1]. Как правило, одна и та же техническая задача может быть решена несколькими способами, которые приводят не только к различным выходным характеристикам, схемам и конструкциям, но даже и к различным физическим принципам реализации прибора. При этом одно из проектных решений может превосходить другое по одним показателям качества и уступать по другим. Поэтому в некоторых случаях, трудно принять решение о том, какое из решений является более предпочтительным.

Рассмотрим особенности постановки задачи проектирования ОЭП в рамках функционального аспекта на каждом из иерархических уровней.

Как отмечалось выше, ОЭП - это, сложная система, выполняющая, в общем случае, задачи обнаружения оптического сигнала от объектов, селекции или распознавания образов объектов, а также задачи измерения параметров или характеристик этих объектов. Информация, полученная с помощью ОЭП, используется для принятия управленческих решений, которые реализуются устройствами, входящими, как и ОЭП, в состав некоторой сложной системы.

В связи с этим, на функционально-логическом уровне проектирования ОЭП рассматривается, как составная часть сложной системы, которую в дальнейшем будем называть комплексом. Модельное описание комплекса включает в себя структурную схему и математические соотношения, описывающие функционирование каждого структурного элемента комплекса, т.е. функциональную модель (модель поведения). В состав структурной схемы комплекса входят: источник сигнала, информационная система и система управления.

На функционально-логическом уровне проектирования ставится и решается задача модельного описания объектов или явлений, как источников сигналов, а также синтезируется общий алгоритм функционирования комплекса. Общий алгоритм функционирования комплекса включает алгоритмы обработки сигналов, осуществляемой с целью выделения полезной информации об объектах или явлениях, а также алгоритмы управления. На основе этих алгоритмов в процессе проектирования синтезируются структурные схемы моделей информационной системы и системы управления, а также функциональные модели структурных элементов этих схем, некоторые из которых могут иметь облик ОЭП. В процессе выполнения проектных процедур анализа и параметрической оптимизации определяются переменные проектирования данного иерархического уровня и формулируются ТЗ для выполнения проектных работ на нижеследующем, системотехническом уровне проектирования.

При синтезе алгоритмов обработки сигналов используется математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, а также теории принятия решений и ее приложений, а именно: теории обнаружения, теории распознавания и теории статистических оценок параметров сигналов, принимаемых на фоне помех. Для синтеза алгоритмов управления используется математический аппарат теории управления, а для синтеза общего оптимального алгоритма - математический аппарат теории алгоритмов.

На системотехническом уровне объектами проектирования являются собственно ОЭП или ОЭС, которые рассматривались на функционально-логическом уровне проектирования, как отдельные каналы обработки сигналов в информационной системе комплекса. На данном уровне проектирования выполняются следующие проектные процедуры:

- уточняются синтезированные на функционально-логическом уровне алгоритмы обработки сигналов с учетом конкретных вариантов возможной физической реализации этих алгоритмов на доступной для проектанта элементной базе;

- синтезируется математическая модель ОЭП, в том числе, структурная схема ОЭП, как объекта проектирования, и операторы преобразования сигналов каждым из структурных элементов этой схемы;

- на основе показателей качества, принятых на функционально-логическом уровне, формулируется целевая функция проектирования и выполняется многовариантный анализ и параметрическая оптимизация значений вектора конструктивных параметров.

Выполнение указанных процедур позволяет на основе принятого на системотехническом уровне модельного описания синтезировать в конечном итоге функциональную схему ОЭП.

Как отмечалось, понятие математической модели включает в себя структурное и функциональное описание объекта проектирования. Для математического моделирования на системотехническом уровне проектирования используется теория преобразования сигналов в линейных и нелинейных системах и, в частности, развитие этой теории в приложении к оптическим и оптико-электронным системам. Результатом проектирования на системотехническом уровне являются:

- уточненный и детализированный алгоритм функционирования ОЭП;

- структурная и функциональная схемы ОЭП;

- значения конструктивных параметров подсистем, входящих в функциональную схему, в том числе, оптической, фотоэлектрической, электронной, вычислительной и механической.

Эти результаты используются для формулировки ТЗ на проектирование отдельных элементов функциональной схемы ОЭП, которое, согласно принятой иерархии, выполняется на схемотехническом уровне проектирования. Объектами проектирования на схемотехническом уровне являются: оптическая система; фотоприёмное устройство (ФПУ); аналоговая и цифровая часть электронного тракта (ЭТ); видеоконтрольное устройство (ВКУ); электромеханическая система управления приводами, входящими в состав ОЭП.

Результатом проектирования на схемотехническом уровне являются принципиальные схемы ОС, ФПУ, ЭТ и др. При этом обычно проектант ориентируется на элементную базу, существующую на рынке, или доступную для изготовления на имеющемся промышленном оборудовании. Но, если проектант доказывает технико-экономическую целесообразность использования новых элементов в разрабатываемых принципиальных схемах, то в рамках схемотехнического уровня может быть сформулировано ТЗ на разработку этих новых элементов. Такое проектирование выполняется на нижеследующем, так называемом, компонентном уровне проектирования. На компонентном уровне проектирования может ставиться задача разработки новых, нетрадиционных компонентов оптической системы, например, граданных или голографических элементов. Могут создаваться ПИ, основанные на новых физических принципах, или с использованием новых материалов. В перечень работ, выполняемых на компонентном уровне проектирования, входит также разработка новых СБИС, используемых в аналоговой или цифровой частях ЭТ. Очевидно, что при проектировании каждого из перечисленных элементов должны использоваться математические модели, дающие адекватное описании физических явлений, которые лежат в основе их принципа действия.

В данном курсе подробно рассматриваются вопросы проектирования на функционально-логическом и системотехническом уровнях, а также отдельные вопросы проектирования на схемотехническом уровне.