Автоматизированное проектирование РЭС базируется на общесистемных принципах, а также положениях, учитывающих отношение РЭС к особому классу разрабатываемых объектов.

Общесистемные принципы определяют РЭС как сложные системы, предназначенные для выполнения определенных целей и исследуемые с помощью математических моделей. Эти принципы включают ряд постулатов (принимаемых без доказательства утверждений). К основным общесистемным принципам относятся следующие.

Принцип физичности. В соответствии с данным принципом всем РЭС присущи законы радиотехники, электроники идругие, которые определяют внутренние причинно-следственные связи функционирования компонентов и системы в целом. Наиболее важными являются постулаты целостности, декомпозиции и автономности.

В соответствии с постулатом целостности РЭС рассматривается как единое целое, т. е. не как множество подсистем, а как целостный объект, допускающий различные деления на подсистемы. Поэтому РЭС не тождественна никаким ее элементам (подсистемам). Таким образом, ни при композиции (объединении подсистем в систему), ни при декомпозиции (деления системы) не допустимы потери понятий. При этом композиция и декомпозиция должны осуществляться с целью генерирования более качественной (новой) информации, характеризующей систему. Для выявления целостности требуется учет всех взаимосвязей внутри системы и связей системы с внешней средой. Кроме того, выявляются основные системные свойства и факторы, которые могут снижать их уровень. Применение постулата целостности при проектировании РЭС заключается в раскрытии сведений о системных свойствах для всех этапов ЖЦ и в обобщении их в понятия, которые используются при разработке и исследовании подсистем после декомпозиции. Считается, что декомпозиция выполнена удачно, если системные и подсистемные понятия хорошо согласуются, между ними имеется преемственность. Радиоэлектронные средства, рассматриваемые как системы, обладают особыми системными свойствами, которых нет у подсистем (элементов) при любом способе декомпозиции.

Постулат декомпозиции применяется для снижения уровня сложности исследуемого РЭС при решении задач анализа и синтеза путем расчленения системы на подсистемы. Подсистемы располагаются по уровням иерархии, причем подсистема на данном уровне является системой для элементов нижележащего уровня и рассматривается как элемент для компонента вышележащего уровня. Свойства (характеристики) разрабатываемого РЭС определяются в ходе поэтапной процедуры выработки проектных решений, начиная с системы более высокого уровня и кончая детальными свойствами ее элементов.

Постулат автономности предполагает, что из множества альтернативных вариантов декомпозиции РЭС при анализе системных свойств большинство декомпозиций окажется неудачными и для детальной разработки будет использован один или незначительное число вариантов.

Принцип моделируемости. В соответствии с этим принципом РЭС представимо конечным множеством моделей, каждая из которых отражает определенную грань ее сущности. Выявление новых свойств и сущностей рассматриваемой системы необязательно должно сопровождаться построением обобщающих моделей, а может ограничиваться наращиванием числа упрощенных моделей, взаимодействие которых обеспечивает отражение сложной системы в целом.

Принцип моделируемости включает ряд постулатов: неопределенности, дополнительности, многообразия моделей, действий, согласования уровней и др.

Постулат неопределенности. Согласно этому постулату существует область неопределенности, в пределах которой свойства системы могут быть описаны только вероятностными характеристиками, например при исследовании аспектов помехоустойчивости радиосистем. Повышение точности определения какого-либо количественно описываемого свойства сложной системы сверх некоторого предела сопровождается понижением возможной точности определения другого свойства. Максимальная точность определения свойств системы зависит от присущей ей области неопределенности, внутри которой повышение точности определения одного свойства влечет за собой снижение точности определения других свойств. В соответствии с постулатом дополнительности РЭС, находясь в различных ситуациях, могут проявлять различные системные свойства, в том числе и альтернативные, т. е. несовместимые ни в одной из ситуаций по отдельности. Поэтому проектирование РЭС должно выполняться с учетом возможных состояний функционирования, которые могут иметь место в процессе реальной эксплуатации.

Постулат многообразия моделей означает, что характеристики проектируемого РЭС определяются с помощью множества моделей, которые в общем случае различаются используемыми математическими зависимостями и физическими закономерностями. Выбор моделей зависит от этапов проектирования и синтеза и особенностей объекта.

Согласно постулату действий для изменения поведения РЭС требуется прирост управляющего или возмущающего воздействия, превосходящего некоторый пороговый уровень. Воздействия обычно имеют энергетический, информационный или вещественный характер, они могут накапливаться и затем проявляться скачкообразно. Соответственно пороговые значения для воздействий могут быть функциями количеств энергии определенноговещества и определенной информации. Реакция системы на внешнее воздействие носит пороговый характер. В соответствии с постулатом согласования уровней требования к РЭС, формируемые на любом уровне, выступают как условия и ограничения выбора частных моделей и предельных возможностей системы на нижележащих уровнях. В случае невозможности выполнения каких-либо требований осуществляется корректировка соответствующих условий.

Согласно постулату внешнего дополнения истинность результатов, получаемых на каждом уровне, должна проверяться с использованием исходных данных, моделей и методов вышележащих уровней. Соблюдение данного постулата при разработке РЭС является необходимым условием выполнения проекта, соответствующего сформулированным целям и техническому заданию.

Постулат достаточности реализуется при определении требуемых характеристик в процессе совершенствования РЭС с учетом возрастания затрат на улучшение системы и проверку достаточности принимаемых решений по заданным критериям эффективности. Для этого используются критерии пригодности соответствующих моделей, с помощью которых принимаются конструктивные решения на этапах оценки характеристик системы.

Постулат проверенного методического обеспечения означает, что для анализа и синтеза РЭС необходимо использовать отработанные и экспериментально проверенные модели и методики, обеспечивающие отдельные характеристики системы в заданные сроки и с требуемой точностью.

Принцип целенаправленности. Означает, что всякой системе присуща функциональная тенденция, направленная на достижение некоторого результата, при этом система способна противостоять внешним воздействиям, использовать среду и случайные события. Принцип целенаправленности включает постулат выбора, в соответствии с которым система обладает способностью к выбору поведения. Поэтому однозначно предсказать и экстраполировать ее поведение заранее невозможно ни при каком априорном знании свойств системы состояний внешнего окружения. Согласно этому постулату РЭС функционирует в существенной, но не детерминированной связи с ситуациями внешнего окружения. Поведением РЭС можно целенаправленно управлять, тем более что большинство радиосистем является эргатическими.(Эргатическая система — схема производства, одним из элементов которой является человек или группа людей.Основными особенностями таких систем являются социально-психологические аспекты.)

Для РЭС использование постулата выбора имеет два аспекта.

Первый аспект связан со стимулированием или подавлением «свободы» выбора. С одной стороны, в сложных ситуациях возможность выбора должна быть максимальной, что расширяет диапазон деятельности. С другой стороны, в штатных ситуациях управляющие устройства РЭС должны иметь возможность выбора в пределах поставленных задач либо не иметь ее вовсе.

Второй аспект касается формального представления задачи выбора и количественных оценок, необходимых для решения задачи. Современные РЭС имеют возможность выбора и обладают адаптивными свойствами, т. е. реагируют на внешние воздействия в зависимости от внутренних критериев целенаправленности. При этом априорные знания не позволяют заранее однозначно предсказать этот выбор. Таким образом, постулат выбора позволяет РЭС в соответствии с ее целенаправленностью использовать даже редкие благоприятные события, возникающие в окружающей среде и блокировать неблагоприятные события. Наряду с рассмотренными основными принципами системного подхода при автоматизированном проектировании РЭС широкое применение находит ряд важных положений, которые также часто называют принципами. Эти положения во многих случаях вытекают из общесистемных принципов и отражают специфику РЭС как объектов проектирования с использованием информационных технологий.

Рассмотрим кратко основные положения (принципы) автоматизированного проектирования РЭС.

1. При проектировании следует учитывать все последующие этапы жизненного цикла разрабатываемого РЭС, и прежде всего производство, эксплуатацию и утилизацию. Многие проекты остаются нереализованными вследствие недостаточной технологичности, больших затрат при производстве, сложном обслуживании.

2. Необходимо прогнозировать и учитывать перспективы развития как принципов действия, так и технологии изготовления РЭС. В условиях жесткой конкуренции неучет данного положения приводит к тому, что разработанная радиосистема становится морально устаревшей уже при производстве или на начальном этапе эксплуатации. Принцип развития требует, чтобы в РЭС предусматривалось наращивание и совершенствование аппаратных компонентов программных модулей, а также связей между ними. При модернизации РЭС допускается частичная замена отдельных компонентов.

3. Необходимо всестороннее рассмотрение всех видов взаимодействия проектируемой радиосистемы с внешней средой и другими системами, в том числе связанного с электромагнитными излучениями, обменом информацией и энергией, воздействием на систему окружающей температуры, влажности, радиации и т. д.

4. Требуется учитывать различные виды взаимодействия между частями системы, и прежде всего функциональные, конструктивные, энергетические и информационные взаимодействия. Важную роль играет также рассмотрение взаимодействия между элементной базой и системотехникой, т. е. то, насколько полно используются возможности современной элементной базы в системотехнических решениях для улучшения показателей качества радиосистемы.

5. Важно учитывать возможность изменения исходных данных и постановок задач, решаемых на этапах проектирования, производства и эксплуатации системы. Для этого целесообразно варьировать исходные данные в процессе проектирования для повышения надежности получаемых результатов, а также обеспечить достаточную универсальность спроектированной системы в случае модернизации части блоков или добавления новых для расширения или изменения функциональных возможностей системы. Данное положение тесно связано с аспектами робастного проектирования, при котором используются методы планирования экспериментов для ослабления влияния различных факторов на качество системы при ее производстве и эксплуатации.

6. Для повышения качества проектных работ, снижения риска целесообразно сочетать различные методы решения проектных задач — математические, эвристические, экспериментальные, при этом необходимо обеспечить взаимодействие участников проекта разных специальностей — радиотехников, математиков, механиков, технологов, программистов и др.

7. При проектировании радиосистем необходимо сочетать принципы иерархичности, декомпозиции и композиции. Начинается проектирование с рассмотрения радиосистемы как единого целого, анализа ее общих характеристик и выходных показателей. Далее система в соответствии с методом декомпозиции разбивается на небольшое число подсистем, например передающее устройство, приемное устройство и т.д. Выделенные подсистемы исследуются независимо друг от друга. Затем определяются вклады каждой части в результирующие показатели всей системы, для этого подсистемы объединяются в единую систему, т. е. выполняется их композиция. В свою очередь, подсистемы разбиваются на более мелкие части, которые также сначала рассматриваются независимо друг от друга, а потом проводится композиция и т. д.

Такое иерархическое разбиение системы, анализ и синтез на каждом уровне иерархии позволяют эффективно решать задачи автоматизированного проектирования РЭС любой сложности. По аналогии с иерархичностью, декомпозицией и композицией технических средств эти принципы используются для решения сложных математических задач, связанных с оптимизацией характеристик проектируемой системы при наличии разного рода ограничений. Сочетание иерархичности, декомпозиции и композиции позволяет успешно решать не только задачи разработки радиосистемы, но и ее задачи производства, а также эксплуатации. Однако при декомпозиции РЭС на части требуется так формулировать исходные данные проектируемых частей (блоков, модулей и т. д.), чтобы они с достаточной полнотой учитывали все виды взаимодействия между частями в процессе выполнения РЭС поставленных перед системой задач. В противном случае оптимально спроектированная по частному критерию подсистема может не обеспечивать оптимальность системы в целом по обобщенному критерию.

8. Необходимо выделять главные показатели качества и конкурентоспособности проектируемого РЭС, которые следует улучшать в первую очередь. Такими показателями могут быть помехоустойчивость, точность, дальность действия и др. Особенно важно выделять главные показатели на разных стадиях проектирования, где большая размерность векторного критерия качества может привести к потере оптимального варианта решения и значительному увеличению сроков выполнения проекта. Выделение главных показателей облегчает вскрытие технических противоречий, затрудняющих улучшение качества системы в целом.

9. Проектирование следует рассматривать как выполнение широкого комплекса работ. Комплексность проектирования предполагает: анализ и всестороннюю оценку исходных предпосылок; исследование взаимодействия частей на различных уровнях иерархии; полный учет всех факторов и ограничений, влияющих на качество функционирования РЭС на всех этапах ЖЦ; использование векторных критериев эффективности.

10. Проектирование РЭС представляет собой итерационный процесс, в соответствии с которым на первых этапах применяются приближенные методы анализа с использованием небольшого числа основных критериев. Затем переходят к более детальному рассмотрению системы с учетом второстепенных факторов. Далее следует возврат к первым этапам для анализа основных характеристик с включением ранее неучтенных факторов и т. д. Такой циклически повторяющийся характер перехода к рассмотрению второстепенных факторов и их уточнению может выполняться несколько раз. Данное обстоятельство связано, во-первых, с недостаточным объемом исходной информации и низкой ее достоверностью, во-вторых, с новизной разработки. Чем больше изменений закладывается в проектируемую систему по сравнению с прототипом, тем больше приходится проводить итераций. Таким образом, итерационный процесс заключается в циклическом переходе от общего (системы в целом) к частному (элементам) и обратно с уточнением и детализацией характеристик на каждом цикле итерации. Итерационный процесс непосредственно связан с принципом комплексности, эта связь обусловлена выполнением комплексных исследований на каждой итерации.

11. При разработке РЭС необходимо предусматривать, чтобы созданная система удовлетворяла свойству открытости, т. е. при длительной эксплуатации имелась возможность ее совершенствования и модернизации. Потребность в данном свойстве обусловлена высокими темпами научно-технического прогресса, когда быстро меняются требования к системе, свойства окружающей среды, модифицируются цели, возникает необходимость объединения систем в комплексы, для этого объекты должны быть совместимыми.

12. Для отдельных ИТ, используемых в РЭС, должны выполняться требования информационного единства, определяющие их информационную согласованность. В соответствии с этими требованиями создается единое информационное пространство в рамках одного радиотехнического комплекса. Важную роль при формировании технического задания играет принцип включения, который состоит в том, что требования к создаваемой и развиваемой радиосистеме определяются со стороны более сложной системы (комплекса).Модульный принцип проектирования (принцип модульности) предполагает использование функциональных модулей сравнительно малой сложности и составление из них модулей более высоких уровней конструктивной иерархии РЭС. При этом должно выполняться требование совместимости электронных модулей, т. е. обеспечиваться типизация и унификация межмодульных связей для организации непосредственного информационного и энергетического взаимодействия между модулями. Знание основных принципов разработки РЭС необходимо для оценки их соответствия современному научно-техническому уровню при выполнении проектов. Не последнюю роль в этом играетфактор клиентоориентированности, т. е. насколько разрабатываемые РЭС учитывают уровень подготовленности персонала. При разработке радиосистем различных классов на передний план по важности могут выходить разные принципы. Например, для систем радиосвязи основное внимание может уделяться помехозащищенности, а для систем наведения — точности. Автоматизированное проектирование следует рассматривать как информационный процесс, в ходе которого осуществляется преобразование входной информации о проектируемом объекте (техническое задание), знаний и опыта разработчиков (баз знаний), данных о прототипах (баз данных) в выходную конструкторско- технологическую информацию. При этом следует учитывать меняющееся в последние годы представление об информации, которая рассматривается не как обычные данные, а как средство для решения проектировщиком стоящих перед ним задач.

Процесс проектирования реализуется в интерактивном режиме в виде диалога между человеком с программно-аппаратными средствами САПР в реальном масштабе времени. Этот процесс основан на интеллектуальной деятельности разработчиков, поддерживаемой средствами САПР. Наряду с перечисленными положениями (принципами) широкое применение при проектировании находят разного рода методы, способы и приемы. К ним можно отнести следующие: параллельное проектирование, т. е. одновременную разработку элементов системы на определенном уровне иерархии, что значительно сокращает сроки выполнения проекта; оптимизацию; имитационное моделирование (вычислительные эксперименты); методы шаблонов, наследования и т. д. Между особенностями современных РЭС и рассмотренными системными принципами проектирования имеются тесные связи. Например, воздействие на РЭС большого числа случайных факторов отражается принципами открытости и целенаправленности. Сложность РЭС и множество выполняемых функций при наличии общей цели функционирования находят отражение в принципах комплексности, иерархичности, декомпозиции и целенаправленности.

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Система автоматизированного проектирования представляет собой совокупность средств и методов, обеспечивающих выработку проектных решений на основе автоматизации информационных процессов. САПР реализуют информационную технологию в виде определенной последовательности информационно связанных функций, задач или процедур, выполняемых в интерактивном режиме. Обычно САПР внедряется, и первое время функционирует на предприятии в виде самостоятельной информационной системы, однако в последующем она, как правило, интегрируется с другими автоматизированными системами: АСУП, АСУТП и др. Основными частями САПР являются комплекс средств автоматизации, организационно-методические и технические документы. Комплекс средств автоматизации, в свою очередь, включает взаимосогласованные программные, технические и информационные компоненты с необходимой эксплуатационной документацией. Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков: сложности объектов проектирования, уровню автоматизации, уровню комплексности, производительности и числу уровней технического обеспечения. Иногда САПР классифицируют по приложениям, целевому назначению, масштабам (комплексности решаемых задач).

По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР:

• САПР для радиоэлектроники, в том числе системы ECAD (ElectronicCAD) или EDA (ElectronicDesignAutomation);

• САПР для применения в отраслях общего машиностроения, их часто называют машиностроительными САПР или системами MCAD (MechanicalCAD);

• САПР в области энергетики, строительства и др. Кроме того, известно большое число специализированных САПР, выделяемых в указанных группах (САПР для проектирования изделий микроэлектроники) или представляющих самостоятельную ветвь в классификации (САПР электрических машин, САПР летательных аппаратов и др.). По целевому назначению различают системы или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты и этапы проектирования.

По масштабам выделяют отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР (комплекс анализа электронных схем, комплекс анализа прочности изделий и т.п.), совокупность ПМК и системы с уникальными архитектурами не только программного (software), но и технического (hardware) обеспечения.

Необходимо заметить, что среди САПР различают «легкие», «средние» и «тяжелые» системы. Первые из них ориентированы преимущественно на двухмерную графику, сравнительно дешевы и менее требовательны в отношении вычислительных ресурсов. «Тяжелые» САПР работают с трехмерной графикой, более универсальны и дороги. «Средние» системы занимают промежуточное положение. Однако с ростом возможностей персональных ЭВМ границы между «легкими» и «средними» САПР постепенно стираются. Как сложная система САПР представляет собой совокупность взаимосвязанных частей, среди которых можно выделить проектирующие и обслуживающие подсистемы.

Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры, например геометрическое моделирование механических объектов, схемотехнический анализ, трассировку соединений в печатных платах, подготовку конструкторской документации и т.д.

Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. К ним относят подсистемы управления проектными данными, подсистемы сопровождения программного обеспечения, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, использованных в САПР.

В САПР реализованы следующие системные принципы.

Принцип включения, заключающийся в том, что САПР рассматривается как часть более сложной автоматизированной системы, например CALS, которая определяет требования к функционированию и модернизации САПР.

Принцип системного единства, в соответствии с которым целостность САПР обеспечивается тесными связями между ее подсистемами.

Принцип комплексности, т. е. связность проектирования объектов на всех этапах жизненного цикла проекта.

Принцип информационного единства, означающий информационную согласованность всех подсистем САПР, в том числе использование единой терминологии, условных обозначений и способов представления информации. Это позволяет результаты решения одних задач в САПР рассматривать как исходные данные для других задач, многократно использовать файлы, содержащиеся в базах данных и т.д.

Принцип совместимости, в соответствии с которым обеспечивается совместимость используемых языковых, программных и технических средств САПР, их совместное функционирование и открытость структуры, т. е. введение в систему новых аппаратных средств и (или) компонентов программного обеспечения не должно приводить к значительным изменениям существующей САПР.

Принцип инвариантности, означающий максимальную универсальность используемых в САПР компонентов, методов и пакетов программ для проектирования объектов определенного класса радиосистем. Примерами таких пакетов являются программы решения задач структурного и параметрического синтеза, расчета надежности и др.

Принцип развития означает, что САПР является развивающейся системой, в которую вводятся новые подсистемы и компоненты, увеличиваются функциональные возможности, расширяется спектр решаемых проектных задач.

В соответствии с ГОСТ 23501.101—87 и РД 50-680—88 выделяют следующие основные виды обеспечения САПР.

ВИДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР

Математическое

Математические методы

Модели

Алгоритмы

Программное

Общесистемное

Базовое

Прикладное

Лингвистическое

Языки программирования

Языки проектирования

Языки управления

Информационное

Базы данных (БД)

Системы управления БД

Набор приложений БД

Техническое

Средства вычислительной техники

Сетевое оборудование

Периферийное и вспомогательное оборудование

Организационно - Правовое Эргономическое

Математическое обеспечение (МО) объединяет математические методы, модели и алгоритмы обработки информации, используемые при автоматизированном проектировании. Элементы МО САПР чрезвычайно разнообразны. Это модели проектируемых РЭС, методы численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений, поиска экстремума функционала и т. д. Практическое использование МО для решения задач проектирования происходит после его реализации в программном обеспечении. Программное обеспечение (ПО) представляет собой совокупность программ на носителях информации (CD, оптических или жестких дисках и др.) с программной документацией. Программное обеспечение САПР делится на общесистемное, базовое и прикладное (специальное). Общесистемное ПО предназначено для обеспечения функционирования технических средств, в базовое ПО входят программы, обеспечивающие правильное функционирование прикладных программ САПР, а в прикладном ПО реализуется математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур.Прикладное ПО состоит из пакетов прикладных программ, каждый из которых обслуживает определенный этап процесса проектирования или группу однотипных задач внутри различных этапов. Лингвистическое обеспечение состоит из языковых средств для формализации естественного языка, построения и сочетания информационных единиц, используемых в САПР при функционировании системы для общения с комплексом средств автоматизации, а также между проектировщиками и ЭВМ. Информационное обеспечение состоит из совокупности данных, описывающих принятый в системе словарь базовых описаний (классификаторы, типовые модели, форматы документов и др.), и актуализированных данных о состоянии информационной модели объекта проектирования на всех этапах его жизненного цикла. Эти данные могут быть представлены в виде тех или иных документов на различных носителях информации. Основная часть информационного обеспечения САПР — базы данных (БД) и системы управления базами данных (СУБД). В БД содержатся данные, структурированные в соответствии с принятыми в конкретной БД правилами. СУБД представляет собой совокупность программных средств, обеспечивающих функционирование БД. С помощью СУБД производятся запись данных в БД, их выборка по запросам как проектировщиков, так и прикладных программ, обеспечивается защита от потери информации, несанкционированного доступа и т.п.

Техническое (аппаратное) обеспечение включает в себя средства реализации управляющих воздействий, а также средства получения, ввода, подготовки, преобразования, обработки, хранения, регистрации, вывода, отображения, использования и передачи данных с конструкторской и эксплуатационной документацией. Организационно-методическое обеспечение представлено документами, определяющими организационную структуру объекта и системы автоматизации, необходимых для выполнения конкретных автоматизируемых функций, деятельность в условиях функционирования системы, а также формы представления результатов деятельности. Значительную часть организационно-ме-тодического обеспечения САПР составляют документы, характеризующие состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизированного проектирования, т. е. положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений проектной организации и их взаимодействие с комплексом средств автоматизированного проектирования. Правовое обеспечение состоит из нормативно-правовых материалов, регламентирующих правоотношения при функционировании САПР, и юридического статуса результатов ее функционирования. Эргономическое обеспечение объединяет взаимосвязанные требования, направленные на согласование психологических, психофизиологических, антропометрических характеристик и возможностей человека с характеристиками САПР и параметрами среды на рабочем месте. Перечисленные виды обеспечения составляют основу любой САПР. Наиболее важными из них с точки зрения особенностей функционирования САПР РЭС являются математическое, программное, лингвистическое, информационное и техническое обеспечения.