1.3. Системный подход при конструировании рэс

Методология поиска оптимального варианта конструкции РЭС основана на использовании системного подхода. Сущность системного подхода при конструировании современных РЭС заключается в том, что отыскивается оптимальное (наилучшее) решение при одновременном учете нескольких различных групп факторов и ограничений, которые раньше (для аппаратуры первых поколений) учитывались на различных этапах проектирования (разработка структурной и принципиальной схем, конструирование, разработка технологического процесса). При этом структура РЭС, его конструкция и технология изготовления рассматриваются сточки зрения оптимальности всей системы.

Системный подход использовался и при конструировании аппаратуры первых поколений, например при минимизации объема блока, содержащего два (и более) трансформатора разной мощности. Трансформатор минимального объема имеет форму куба. При наличии нескольких разных трансформаторов кубическая форма наибольшего трансформатора не позволяет эффективно использовать весь объем блока. Следовательно, блок имел оптимальный объем при неоптимальной форме отдельных трансформаторов.

Переход на элементную базу МЭА (микроэлектронные изделия) позволяет: 1) расширить возможности системного подхода;2) распространить его на РЭС в целом, например изменить принципы организации РЭС — перенести выполнение части функций с наземной аппаратуры на бортовую; заменить в радиолокационной станции антенну с механическим сканированием луча на активную фазированную антенную решетку с электрическим сканированием луча; производить передачу информации не в аналоговой, а в цифровой форме; снизить стоимость и массогабаритные характеристики при одновременном повышении надежности путем замены механических и электромеханических компонентов электронными (в микроэлектронном исполнении), использования элементов в интегральном исполнении с новыми свойствами (транзисторных пар, изготовленных в едином технологическом цикле, жидкокристаллических индикаторов и т. д.). Все это позволяет улучшить показатели качества РЭС, но одновременно требует коренного изменения конструкции. В конечном счете структура РЭС и ее конструкция зависят от технологических возможностей производства. Поэтому при системном подходе подразумевается учет при конструировании не только схемотехнических, но и технологических факторов. Так, при проектировании полупроводниковой ИС разработчик должен оценить выгоду от использования транзистора как резистора или диода и, конечно, должен уметь рассчитывать взаимное влияние элементов.

Эффективность использования системного подхода при конструировании зависит от вида РЭС. Наиболее эффективен системный подход для проектирования цифровых устройств, обладающих регулярной структурой. Это позволяет осуществлять моделирование при отыскании оптимальной конструкторской иерархии с учетом задержки распространения сигнала, перекрестных помех, различных ограничений: технологических (например, нестабильности волнового сопротивления линий связи), эксплуатационных (внешних дестабилизирующих воздействий) и др. Для аналоговых устройств ввиду меньшей регулярности структур и большего разнообразия выполняемых функций (генератор, модулятор, компаратор и пр.), а также более широких диапазонов мощностей и частот сигналов труднее использовать системный подход. В целом использование системного подхода при конструировании РЭС повысило роль конструктора и технолога, которые стали принимать участие в создании РЭС с самых ранних этапов .Это, однако, предъявляет более высокие требования к конструктору и технологу РЭС, которые должны знать выгоды

«горячего» резервирования (например, «троированной» логики) или использования специальных корректирующих кодов, позволяющих работать при наличии части неисправных элементов (уже на этапе производства или при эксплуатации изделия).

Поиск оптимального варианта связан с определением экстремума одного или нескольких показателей качества. Различают локальный и глобальный экстремумы; локальных экстремумов может быть несколько, а глобальный существует только один. Часто для того, чтобы изделие удовлетворяло заданному показателю качества, достаточно нахождения локального экстремума. При этом получается не оптимальное, а просто приемлемое решение, но затраты времени и средств сокращаются на порядок или несколько порядков при несущественном проигрыше в качестве изделия. Сложность поиска глобального экстремума обусловлена следующими причинами: 1) сложностью РЭС (большое число возможных решений); 2) наличием, как правило, не одного, а нескольких показателей качества, которые часто противоречивы или имеют разную степень значимости; 3) тенденцией к сокращению цикла и стоимости новой разработки при одновременном повышении требований к качеству (надежности, стоимости, энергопотреблению и т. д.); 4) тенденцией к сокращению морального срока службы РЭС. Для облегчения поиска оптимального или просто приемлемого варианта конструкции РЭС используют отработанные (базовые) конструкции, определенные виды материалов и компонентов, стандартные технологические процессы и схемотехнические решения, известные физические принципы. Однако при поиске конструкции с параметрами, значительно лучшими достигнутых, ищут принципиально новые решения.

Виды работ конструктора. В работе конструктора тесно переплетены различные ее составляющие: творческая I (анализ и синтез различных вариантов); техническая II (расчеты, выпуск конструкторской документации); организационная III (руководство исполнителями, проверка, согласование конструкторской документации, передача в архив); производственная IV (сопровождение изготовления изделия); корректировочная V (изменение конструкторской документации в связи с исправлением ошибок, заменой материалов усовершенствованием конструкции и т. д.). Для различных условий конструирования соотношение этих составляющих по трудоемкости (рис. 1.2) несколько различается: творческая —5...25%, техническая—10...50, организационная — 5...15, производственная—10...50, корректировочная—10...20%. Трудоемкость технической составляющей приведена для случая разработки конструкторской документации ручными (рутинными) способами.

Рис. 1.2. Трудоемкость различных видов работы конструктора (примерные процентные соотношения)

При использовании ЭВМ трудоемкость технической части может быть уменьшена.

Наиболее сложной и важной является творческая часть работы, при выполнении которой решаются две задачи: 1) анализ — изучение поведения системы с заданной структурой, т. е. изучение зависимости показателей качества от отдельных факторов и их взаимосвязи; 2) синтез — определение оптимальной структуры системы (конструкции) при заданных показателях качества и ограничениях. При анализе отыскивается (см. рис. 1.1) зависимость . В результате анализа определяются: цели и задачи конструирования; существующие решения; возможные пути достижения поставленной цели (эскизная проработка); ориентировочная (долгосрочная) оценка путей достижения цели и выбор наиболее перспективного пути (обычно такая оценка осуществляется экспертами). При синтезе отыскивается функция вида . На этом этапе осуществляется генерация некоторого числа новых вариантов конструкций. Это наиболее творческий этап. Чаще всего он осуществляется с помощью набора эвристических приемов, которые имеет каждый конструктор. На этом этапе наиболее полно проявляются интуиция, опыт и творческие способности конструктора, часто усиленные благодаря коллективному творчеству («мозговой штурм», «синектика» и др.) и использованию диалогового режима между человеком и ЭВМ. При генерации вариантов подбираются такие параметры компонентов и такие взаимосвязи, которые обеспечили бы получение конструкции заданного качества.

Как при анализе, так и при синтезе осуществляются оценки каждого варианта, т. е. для каждого параметра определяется функция . При синтезе оценки должны быть более точными, чем при анализе, и должны обеспечивать прогнозирование ожидаемых результатов. Если вариант признается неприемлемым, то осуществляют синтез нового варианта и его оценку. Обычно приемлемое решение получается после нескольких итераций, особенно при оптимизации по нескольким критериям.

В настоящее время наиболее полно разработаны методы анализа, а методы синтеза основаны, как правило, на использовании эвристических (неформальных) методов.

Анализ вариантов конструкции можно осуществить логико-расчетным методом, эвристическим методом и методом моделирования.

Эвристический метод — метод экспертных оценок —заключается в том, что группе специалистов-экспертов ставят ряд вопросов, касающихся современного состояния или перспектив развития. Этот метод целесообразно использовать в случае достаточно систематизированной информации о прошлом и в случае, когда научно-техническое развитие в большей степени зависит от принимаемых решений, чем от имеющихся технических возможностей.

0Метод моделирования характеризуется тем, что анализ ведут не на самих объектах, а на их моделях, чаще всего математических (иногда физических).

В процессе конструирования используется как мыслительная деятельность, так и физический труд. Мыслительная деятельность конструктора имеет место на всех этапах работы, но доминирует в творческой части. Каждая новая конструкция обычно содержит компоненты уже существующих конструкций и новые компоненты. На ранних этапах разработки, когда необходимо определить (синтезировать) новые компоненты, чаще всего используют эвристические методы, основанные на интуиции и требующие проверки методом проб и ошибок. Эти методы позволяют произвести мысленную экстраполяцию за пределы известного. При использовании эвристического приема конструктор выступает как волшебник, деятельность которого невозможно формализовать (рис. 1.3).

Логико-расчетные методы основаны на использовании формализованных процессов, повторное применение которых дает сравнимые результаты. В этом случае конструктор может быть представлен вычислительной машиной, работающей по определенному алгоритму (рис. 1.3). Иногда эта часть работы может быть передана ЭВМ. Однако вычислительной машины, идентичной мозгу человека, не существует. Человек может мыслить словами, образами (предметами); средняя скорость мышления человека составляет 400 слов в минуту. Человеку присущи многоканальность обработки информации, ассоциативность и гибкость (неформальность) мышления, приспособленность к широкому диапазону изменения информации, высокая надежность выделения полезной информации на фоне помех, способность принятия решения в нестандартных ситуациях, учет вероятности событий и предсказания их развития (прогнозирование).

Рис.1.3. Представление мыслительной деятельности конструктора

Логико-расчетный метод интерполяции и экстраполяции основан на переносе динамики и состояний, имевших место в недалеком прошлом, на настоящее и будущее. Этот метод наиболее применим в случаях, когда не ожидается скачкообразных изменений и не требуется длительного прогноза.

Логико-расчетные методы используют на завершающих этапах конструирования, когда задача сформулирована и необходимо ускорить детальные и многократно повторяющиеся операции проектирования (инженерные расчеты прочности, помехе- и теплоустойчивости, влагозащиты) или выбрать оптимальный вариант. Использование логико-расчетных методов на начальных этапах проектирования чревато потерей гибкости принятия решения в условиях неопределенности исходных данных. Так как при постоянно возникающих новых задачах эта неопределенность имеет место, то очевидно, что роль эвристических методов и приемов в будущем не уменьшится. Необходимо отметить, что как эвристические, так и логико-расчетные методы имеют, как правило, творческий характер.

Различают следующие этапы мыслительной деятельности человека: 1) подготовка, накопление знаний по данному вопросу, формулировка задачи (анализ и начальный этап синтеза); 2) концентрация усилий — упорная работа с целью синтеза нового решения (генерация вариантов, их оценка); 3) передышка — период умственного отдыха, отвлечение от решаемой задачи; 4) озарение (открытие, эврика) — получение новой идеи или изменение уже известной, что и ведет к получению искомого решения; 5) доведение работы до конца, обобщение, оценка результатов. Характерным является то, что озарение (открытие) обычно следует за передышкой, а также не формализуемый характер эвристической деятельности.

Т

51

рудности мыслительной работы заключаются в большем утомлении от напряженного умственного труда, чем от физического, а также невозможности охвата больших объемов информации. Первая трудность связана с физиологическими возможностями человека, который легче переносит физические нагрузки, чем умственные, вторая обусловлена большим объемом информации и ее рассредоточенностью. Часто легче изобрести что-то заново, чем найти старое решение. В результате снижается доля крупных изобретений, сужаются темы диссертаций, облегчаются требования к конструкциям и т. д.

Весь комплекс задач, решаемых конструктором при синтезе конструкции, можно разделить на две группы: 1) генерация возможных вариантов конструкции (комбинация сочетаний исходных факторов, ограничений и связей между ними); 2) анализ и оценка каждого варианта конструкции для выбора наилучшего.

Генерация новых вариантов является одним из самых творческих этапов работы конструктора. Методы генерации вариантов прошли в своем развитии ряд этапов и продолжают развиваться в настоящее время. Первыми конструкторами были кустари и ремесленники. Основным способом их конструирования был метод «проб и ошибок», заключающийся в экспериментальной переделке отдельных частей изделия и оценке результатов этих переделок. Вся информация о конструкции содержалась в самой конструкции и голове ремесленника. В результате использования этого метода в течение веков создавались шедевры (предметы античного мира и т. д.). Основным недостатком метода была нераздельность экспериментирования (конструирования) и производства. Это обусловливало высокую стоимость хорошей конструкции и большие затраты времени на ее создание. Так как качество конструкции зависело от искусства ремесленника, то хорошие конструкции были уникальны; число их было невелико, стоимость высока. Отсутствие технической документации вело к тому, что, например, еще в середине XVIII в. изделия военной техники воспроизводились по образцу, который возили с завода на завод.

Создание в середине XIX в. чертежей ознаменовало новый этап в развитии методов конструирования, так как позволило производить экспериментирование на масштабном чертеже и тем самым отделить его от производства. Чертежный метод конструирования позволил также осуществить разделение труда не только между конструкторами и производственниками, но и среди самих конструкторов и самих производственников. Это способствовало объединению усилий групп людей и созданию более сложных изделий в более короткие сроки с меньшими затратами средств и времени (экспериментирование на бумаге), с более высоким качеством благодаря специализации конструкторов. Сократить время конструирования позволило то обстоятельство, что, используя чертеж, конструктор может игнорировать почти все поле поиска и сконцентрировать внимание на тех небольших его участках, где можно ожидать приемлемых решений. С помощью чертежа конструктор может изменить структуру изделия в целом вместо того, чтобы, подобно ремесленнику, вносить в него мелкие коррективы. Кроме того, появилась возможность фиксации информации.

Рис. 1.4. Пример диаграммы идей при обеспечении ремонтопригодности РЭС

Сложность современной техники, в частности РЭС, большое число факторов, учитываемых при конструировании, и возможных вариантов конструкции поставили вопрос о разработке новых методов, позволяющих осуществить еще большую концентрацию усилий конструкторов, еще большее разделение их труда при одновременном увеличении эффективности контроля процесса конструирования благодаря формализации выбора наилучших решений. Это привело к созданию новых методов конструирования, основанных на использовании таких разделов науки, как системотехника, методы исследования операций, теория решений, сетевое планирование, эргономика, техническая эстетика, и многих других из новейших отраслей науки, техники, искусства, прежде всего методов генерации идей.

Новые методы генерации идей основаны на использовании уникальных возможностей человеческого мышления и усиления специализации и концентрации усилий конструкторов. К ним, в частности, относятся диаграмма идей, матрица идей, ассоциация, инверсия, метод мозгового штурма, синектика.

Рис. 1.5. Пример матрицы идей при выборе конструкции блока

Использование диаграммы идей основано на том, что очень трудно думать одновременно над несколькими проблемами, хотя глаз человека может воспринимать одновременно бесконечно большое число предметов и отличать их друг от друга. Это позволяет представить возможные варианты конструкции РЭС в виде некоторой диаграммы (рис. 1.4) с целью последовательного анализа наиболее перспективных вариантов. При этом может быть обнаружена возможность создания новой конструкции путем нахождения неиспользованных вариантов или новых сочетаний различных вариантов.

Матрица идей есть средство учета различных вариантов путем упорядоченного их перебора. Допустим, что на выбор конструкции РЭС влияют три группы факторов: ориентация плат, конструкция электромонтажа, конструкция блока (рис. 1.5). В этом случае матрица идей может быть представлена в виде куба, каждое ребро которого содержит факторы одной группы. Каждый элементарный кубик является вариантом конструкции. В данном случае их 27. Введение ограничений позволяет сократить область возможных решений. Например, выбрав горизонтальную ориентацию плат и жесткий печатный монтаж, можно уменьшить число возможных вариантов конструкции до трех (по числу видов конструкции блока).

Метод ассоциации основан на способности человека так преобразовывать полученные ранее знания, чтобы их можно было использовать для новых условий. Примером является использование медицинского шприца для подачи герметизирующего компаунда в труднодоступные места при производстве РЭС или конструкция обтекателей антенны РЛС в виде ячеистой структуры (типа пчелиных сот).

Метод инверсии предусматривает рассмотрение задачи с противоположных позиций по отношению к приня-¹тым, например: сравнение параметров конструкции начиная не с нижнего значения, а с верхнего; определение не формы блока в зависимости от отведенного для него объема, а наоборот; не уменьшение, а увеличение избыточности адресных формирователей полупроводниковой памяти (при этом быстродействие из-за уменьшения длины линий увеличится); обеспечение температурной стабильности не охлаждением, а нагреванием кварцевой пластины до определенной температуры; не увеличение плотности компоновки ЭРЭ на плате, а уменьшение ее, что позволяет улучшить ремонтопригодность и облегчить теплоотвод (габариты РЭС при этом могут даже снизиться за счет уменьшения габаритов системы охлаждения). Метод мозгового штурма основан на возможности получения новых идей путем творческого сотрудничества участников организованной группы и проводится в виде беседы, когда каждый свободно выдвигает предложения, а критика их запрещена. Этот метод наиболее эффективен на начальных этапах конструирования, когда задание полностью еще не определено. Наилучшие результаты получаются, когда группа в 5...10 человек работает не более 1ч. Для проведения сеанса мозгового штурма нужны руководитель ,инициатор и магнитофон. Руководитель ни в коем случае не должен делать критических замечаний (рис. 1.6). Инициатором может быть один из участников группы. Если сеанс мозгового штурма оказался безуспешным, то основная вина в этом лежит на руководителе. Участники мозгового штурма тщательно подбираются заранее.

Рис. 1.6 Неправильное взаимодействие руководителя и члена группы при сеансе мозгового штурма

Метод синектики основан на увеличении продуктивности умственной деятельности человека при использовании аналогий. Обычно решение ищет группа специалистов. Например, руководитель группы ставит задачу обеспечить ремонтопригодность конструкции РЭС в условиях невесомости. Для имитации этого в наземных условиях предлагается выполнить отверстие в куске пенопласта, подвешенного на нитке. Традиционные методы выполнения этой работы с помощью дрели не подходят. В конце концов кто-то из членов группы предлагает прожечь отверстие сигаретой. Далее группа исследует возможность использования этого принципа для реализации конструкции, ремонт которой осуществляется электронным лучом.