Основные стадии и виды задач проектирования

ОБЩАЯ ХАРАКТЕИСТИКА ЗАДАЧ И МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Разработка сложных информационных и управляющих радиоэлектронных средств (РЭС) – многоэтапный процесс значительной продолжительности, включающий в себя этапы проектирования, сопровождения эксплуатации (авторский надзор), модернизации. Важнейшим этапом разработки является проектирование, под которым понимается этап жизненного цикла системы (комплекса) от составления тактико-технического задания (ТТЗ) на разработку до изготовления опытных образцов и проведения всестороннего испытания системы.

Проектирование можно разделить на три достаточно ярко выраженных стадии: системотехнического проектирования – выбор и обоснование функций (ТТХ) и структуры системы (комплекса) в целом; схемотехнического проектирования – выбор и проектирование элементов системы; рабочего проектирования – выпуск рабочей конструкторско-технологической документации, в соответствии с Единой системой конструкторской документации (ЕСКД), Единой системой программной документации (ЕСПД) и Единой системой технологической подготовки производства (ЕСТПП), необходимой для изготовления, испытаний, эксплуатации, ремонта и хранения системы.

При системотехническом проектировании решаются следующие виды задач:

1) выбор и формулировка цели проектирования;

2) обоснование тактико-технических требований, предъявляемых к РЭС;

3) определение принципов построения РЭС.

Под выбором и формулировкой цели понимают словесную (качественную) формулировку цели проектирования. Так одной из целей разработки бортовой РЭС летательного аппарата (ЛА) может являться повышение безопасности полета на какой-либо его фазе - например, при посадке ЛА. Инициатива в постановке задачи проектирования может принадлежать как заказчику ,так и разработчику.

На этапе обоснования тактико-технических требований (ТТТ), предъявляемых к РЭС, определяется перечень тактико-технических требований, и даются количественные оценки, которым должны соответствовать эти ТТТ, необходимые для достижения указанной цели. Например, для РЭС обеспечения безопасной посадки ЛА это могут быть точности определения положения ЛА относительно стандартных линий курса и глиссады снижения.

На третьем этапе системного проектирования определяются принципы построения РЭС, обосновывается деление проектируемого РЭС на составные части, формулируются ТТТ (исходные данные) для составных частей. На этом этапе выбирают рабочий диапазон волн, выбирается вид сигнала и т.п.

Задачи, решаемые на стадии системотехнического проектирования, не имеют прямой связи с конкретными аппаратурными реализациями. Например, выбрав тип сигнала, на этом этапе не определяют, на какой аппаратуре он будет формироваться - на магнетроне, лампе бегущей волны, клистроне и т.п. Основным предметом проектирования на данной стадии является архитектура РЭС – фиксированная совокупность элементов и связей между ними. При этом связи могут быть как структурными, так и управленческими. Поэтому эту стадию, помимо системотехнической, называют еще внешним проектированием, т.е. проектированием, не связанным с конкретными схемотехническими, конструкторскими и технологическими решениями. Соответственно, стадии схемотехнического и рабочего проектирования называют внутренним проектированием.

С методической точки зрения можно выделить следующие принципы системного подхода к проектированию:

1) сложную иерархическую систему можно декомпозировать (разделить) на ряд подсистем и проектировать затем каждую из них. Однако оптимизация подсистем в общем случае не решает задачу оптимизации системы в целом. Проектирование системы как единого объекта с заданным целевым назначением связано с принятием компромиссных решений, обеспечивающих максимизацию ее эффективности, может быть, за счет ухудшения (уменьшения) эффективности ее элементов. В качестве простого примера рассмотрим передающее устройство бортовой многофункциональной РЛС (МФРЛС). МФРЛС должна обеспечивать множество режимов работы, в том числе режимы низкой и высокой частоты повторения импульсов (режимы НЧП и ВЧП, соответственно). В режиме НЧП при скважностях порядка 10³ энергия источника питания передатчика может долго накапливаться на накопителях, роль которых обычно выполняют обладающие большой емкостью электролитические конденсаторы, а затем в течение короткого импульса излучаться в эфир. Такой режим не требует мощного трансформатора, но значительный объем и вес источника питания приходится на накопители. В режиме ВЧП при скважностях порядка 4-8 энергия источника питания расходуется практически в масштабе реального времени, что уже требует наличия мощного трансформатора. Решая задачу оптимальным способом для обоих режимов работы МФРЛС, приходим к переутяжелению передатчика и, как следствие, к необходимости уменьшения полезной нагрузки (топливо, боекомплект) самолета, что снижает эффективность авиационного комплекса в целом. По этой причине необходимо принимать компромиссное решение, о котором говорилось выше;

2) уже на начальных этапах проектирования должны быть рассмотрены и проанализированы все альтернативные варианты структуры системы и выбраны те, которые наиболее полно удовлетворяют предъявляемым требованиям;

3) для выбора предпочтительного варианта системы необходимо использовать количественные показатели качества системы, называемые критерием эффективности. В задачах проектирования критерии эффективности называются еще целевыми функциями оптимального проектирования.

Эффективной считается система, которая удовлетворяет следующим требованиям:

- в заданных условиях эксплуатации полностью и в установленные сроки система выполняет стоящие перед ней задачи (техническая эффективность системы);

- результаты использования системы по прямому назначению не менее затрат на ее создание и обслуживание в процессе эксплуатации.

Критерий, отвечающий указанным требованиям, можно представить в следующем виде:

Э=G-W, (1.1)

- где G - положительный эффект в результате использования системы по назначению, W - затраты на создание и эксплуатацию системы.

При проектировании сложных систем необходимо учитывать влияние так называемого ОКРУЖЕНИЯ, а именно: факторов воздействующих на систему или испытывающих воздействие с ее стороны. При этом под сложной понимают систему, состоящую из большого числа компонентов. Для информационно-управляющих систем наиболее существенными внешними факторами являются:

- естественное окружение (погода, осадки, подстилающая поверхность и т.п.);

- состояние средств противодействующей стороны;

- состояние элементной базы и технологий;

- экономические факторы (наличие средств, сроки разработки);

- человеческие факторы (наличие коллектива, способного выполнить задачу).

С методологической точки зрения наиболее характерной чертой системного подхода к проектированию является поиск решения путем итерационной оптимизации с использованием всех видов эксперимента (машинного, полунатурного, натурного). Контуры проектируемой системы первоначально представляются в большой степени неопределенными, размытыми. Решения, принимаемые на начальном этапе проектирования, также являются приближенными. По мере накопления знаний решения уточняются. Итерационный характер решения задач проектирования является принципиальным отличием системного подхода от традиционных подходов при синтезе систем. Схема процесса выбора оптимального варианта системы представлена на рисунке 1.1. В соответствии с этой схемой основные операции системного проектирования выполняются в следующей последовательности:

1) формируются цели и задачи, решаемые системой, и формируется критерий (критерии) эффективности системы;

2) генерируются все возможные варианты построения системы;

3) оцениваются затраты ресурсов на реализацию каждого варианта;

4) проводится анализ эффективности системы (на модели, на экспериментальных образцах и т.п.);

5) сравниваются варианты, и принимается решение о рекомендации к дальнейшей разработке одного или нескольких вариантов системы, либо о повторении цикла оптимизации. В последнем случае изменяется ряд исходных предпосылок и уточняется критерий эффективности.

Рисунок 1.1. Структура процесса проектирования

Изучение возможных вариантов структуры позволяет решить ряд вопросов об облике проектируемой системы, абстрагируясь от конкретных элементов, из которых она будет сделана. Выбор и сравнение вариантов структур сложных радиотехнических систем является не простой задачей, важность которой трудно переоценить, так как неудачный выбор структуры системы может свести на нет результаты дальнейших этапов проектирования.

На этапе схемотехнического проектирования решаются следующие задачи:

1) аппаратурный синтез системы;

2) разработка конструкции системы в целом и отдельных ее частей;

3) разработка программного обеспечения (как общего, так и специального).

При аппаратурном синтезе производится выбор аппаратурной реализации технических принципов, которые были обоснованы на предыдущей стадии, выбирают элементную базу и т.п.

На этапе конструирования система оптимизируется по ее конструктивно-технологическим показателям (масса, габаритные размеры, технологичность в изготовлении и т.п.)

На третьем этапе происходит разработка (или выбор) как общего программного обеспечения (операционные системы, системы управления базами данных и т.п.), так и специального – а именно, алгоритмов и программ работы вычислительных средств системы при решении возложенных на нее задач (например, решение задачи наведения на цель).

Завершающей стадией проектирования является рабочее проектирование. На этапе рабочего проектирования все технические решения (принципы, методы, способы) принятые на первых двух стадиях проектирования реализуются в рабочей конструкторской и эксплуатационной документации. На этой стадии производится непосредственный запуск промышленных образцов системы. Номенклатура и правила разработки рабочей конструкторской документации регламентируются рядом комплексов стандартов, а именно: ЕСКД - единой системой конструкторской документации, ЕСТПП – единой системой технологической подготовки производства и ЕСПД – единой системой программной документации.

На этом же этапе разрабатываются программы и методики испытаний сначала опытных, а затем и серийных образцов изделий. Производится разработка и изготовление (при необходимости) нестандартной испытательной аппаратуры, стендов, измерительных комплексов и т.п.

Все стадии и этапы достаточно тесно связаны. При завершении того или иного этапа конструирования может потребоваться коррекция, уточнение или даже пересмотр результатов отдельных этапов (например, если окажется, что полученные экономические и конструктивно-технологические показатели системы не позволяют ей в полной мере выполнять поставленные техническим заданием задачи). Поэтому процесс проектирования является не только многоэтапным, но и многократно корректируемым по мере его выполнения.

Отметим в заключение, что на этапе проектирования требуется применение разнообразных математических методов (теории вероятностей и статистических решений, теории программирования и моделирования и т.п.), применение различных пакетов прикладных программ автоматизированного проектирования и т.п. Поскольку вышеперечисленные методы постоянно развиваются, проектирование сложных РЭС – это искусство, которому нельзя научить раз и навсегда. Можно только помочь молодому специалисту овладеть основными (а может быть только некоторыми) его секретами. Овладевать же самим искусством проектирования специалист будет всю жизнь в процессе практической работы.