Специализированный программно-аппаратный комплекс автоматизированного проектирования радиолокационных станций, комплексов и систем, а также их компонентов (СПАК)
SPECIALIZED SOFTWARE AND HARDWARE COMPLEX FOR COMPUTER-AIDED DESIGN OF RADAR STATIONS, COMPLEXES AND SYSTEMS, AS WELL AS THEIR COMPONENTS (SSHC)

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для повышения эффективности радиолокационной техники за счет применения современных аппаратных и программных средств.
СПАК, являясь многофункциональным комплексом, предназначен для автоматизированного проектирования радиолокационных станций (РЛС), в том числе в составе радиолокационных систем (РЛ-систем) и комплексов (РЛК), а также имитационного моделирования (ИМ) процесса их функционирования с возможностью интеграции частных расчетных модулей и моделей, реализованных на языках программирования высокого уровня.
Специализация СПАК обусловлена использованием исходных данных со множества предприятий и повышенными требованиями к пользователю СПАК в области радиолокации и разработки сложных систем. СПАК разработан для использования специалистами в области радиолокации и конструировании радиолокационных систем, основное назначение СПАК заключается в объединении опыта разработки с различных предприятий и обеспечение разработчиков единым инструментом сквозного проектирования, с учетом особенностей и реалий отечественной разработки радиолокационных систем.
Данная программа позволяет проводить комплексное междисциплинарное ИМ функционирования РЛС, РЛК и РЛ-систем. При моделировании учитываются следующие факторы: параметры объектов наблюдения (ОН): летно-технические характеристики, маневры, групповые цели, параметры среды распространения: рефракция, ионосфера, осадки, фантомные цели, подстилающая поверхность, параметры РЛС: антенная система, параметры СВЧ-тракта, циклограмма работы РЛС, алгоритмы обработки радиолокационной информации (РЛИ). Эффективность применения СПАК достигается за счет возможности проведения численного ИМ работы РЛС в едином информационном пространстве с применением готовых библиотек моделей различных составных частей РЛС.
Программа позволяет разрабатывать и проводить отладку функциональных моделей РЛС, в том числе с аппаратной частью в контуре. Комплекс средств инженерных расчетов, входящий в состав СПАК, позволяет осуществить подготовку исходных данных для моделирования в части эффективной площади рассеяния (ЭПР) объекта наблюдения (ОН), ветровых и тепловых нагрузок на конструкцию антенны.
В настоящее время для проектирования РЛС, РЛК и РЛ-систем применяются набор различных по решаемым задачам сред автоматизированного проектирования (САПР), таких как AGI STK [1] для системного моделирования РЛС, Cadence Microwave Office [2] для проектирования и моделирования радиочастотных/сверхвысокочастотных (РЧ/СВЧ) компонентов, Altium Designer [3] для проектирования печатных плат, Solidworks 3D CAD [4] для инженерных расчетов и проектирования конструкций, Mathworks Matlab [5] для отладки алгоритмов обработки РЛИ РЛИ, и так далее.
Попытки объединить отдельные технические средства в единую среду проектирования предпринимались компанией Keysight в продукте PathWave [6]. Программный комплекс PathWave включает в себя инструменты системного проектирования, моделирования устройств, расчета силовой электроники, моделирование РЧ и СВЧ устройств, а также цифровых устройств. Для моделирования алгоритмов обработки РЛИ PathWave интегрирован с вычислительным ядром Matlab, а для формирования сложной помехо-целевой обстановки (ПЦО) настроена интеграция с Agi STK. Перечень инструментов PathWave содержит интерфейсные модули для подключения контрольно-измерительного оборудования (КИО) с целью проведения полунатурного моделирования.
Программный комплекс Keysight PathWave не позволяет рассчитать параметры РЛС исходя из требований назначения, не содержит инструментов оптимизации характеристик РЛС. Также PathWave не содержит моделей компонентов российских РЛС, и не соответствует текущему перечню отечественной элементной базы.
Таким образом, несмотря на обширные возможности в проектировании и моделировании отдельных устройств, PathWave от Keysight не позволяет проводить проектирование на начальных этапах жизненного цикла РЛС, и не отражает специфики процесса российской разработки.
Техническая проблема заключается в расширении функциональных возможностей комплекса.
Технический результат заключается в обеспечении возможности автоматизированного проектирования радиолокационных станций, в том числе в составе радиолокационных систем и комплексов, а также имитационного моделирования процесса их функционирования с возможностью интеграции частных расчетных модулей и моделей, реализованных на языках программирования высокого уровня.
Указанные технический результат достигается в специализированном программно-аппаратном комплексе для автоматизированного проектирования радиолокационных станций, радиолокационных комплексов и систем реализующем клиент-серверную архитектуру, в которой клиентская часть соединена защищенным соединением с серверной частью и лабораторным оборудованием, при этом клиентская часть представляет собой совокупность средств инженерных расчетов и моделирования, которая посредством пакета программных средств инженерных расчетов и набора прикладных программных модулей выполнена с возможностью оценки эффективности работы радиолокационных станций (РЛС), радиолокационных комплексов (РЛК) и радиолокационные системы (РЛ системы) путём проведения имитационных экспериментов с их моделями, отличающихся возможностью моделирования с учётом таких эффектов, как отражение от подстилающей поверхности, диаграммы обратного рассеяния объектов наблюдения в полном поляризационном базисе, синтеза диаграмм направленности антенных решеток и использованием суперкомпьютерных технологий; серверная часть, состоит из вычислительных модулей, выполненных с возможностью функционирования, как в гетерогенной распределенной вычислительной среде, так и в пределах одной-единственной электронно-вычислительной машины и банк данных содержащий наборы исходных данных, сценарии и результаты моделирования, информацию как в виде реляционных баз данных (БД), с доступом через систему управления БД, так и в виде упорядоченной совокупности файлов - хранилищ данных.
Применяемые в СПАК суперкомпьютерные технологии позволяют значительно ускорить решение таких вычислительно сложных задач, как моделирование алгоритмов цифровой обработки сигналов, многокритериальная оптимизация в задаче предварительной оценки параметров РЛС, имитационное моделирование РЛ систем.
Средства инженерных расчетов и моделирования представляют собой взаимосвязанные модули предварительной оценки параметров (МПОП) РЛС, модуль редактирования и визуализации результатов инженерных расчетов, имитационного моделирования (ИМ), статистической обработки и оптимизации, экономических расчетов, сопряжения с программным обеспечением и контрольно-измерительным оборудованием (КИО) сторонних производителей, администрирования банка данных (БКД) и файлового хранилища (ФХ).
Пакет программных средств инженерных расчетов содержит комплекс моделирования деформаций под влиянием внешних воздействий (КМДВВ), блок расчета диаграммы направленности антенны с учетом внешних воздействий (ДНАВВ), блок расчета части эффективной площади рассеяния (ЭПР) объекта наблюдения (ОН).
Набор прикладных программных модулей (НППМ) содержит блок моделирования динамического поведения РЛС как системы твердых тел (БДПРЛС), комплекс моделирования аппаратных компонентов РЛС, блок моделирования летающих средств, комплекс моделирования программно-алгоритмического обеспечения РЛС, комплекс моделирования программно-алгоритмического обеспечения командного пункта, комплекс моделирования помехо-целевой обстановки (ПЦО), программный компонент автоматизированной сборки вычислительных модулей.
Вычислительные модули серверной части представляют собой расчетные модули: расчет распространения и рассеяния радиолокационного сигнала, расчет диаграммы направленности антенной решетки, расчет траекторий объектов наблюдения.
База данных содержит ЭПР целей, летно-технические характеристики целей, антенны и антенные решетки, стоимостные данные, данные о конструкциях.
Хранилище файлов содержит цифровую и картографическую информацию, 3D-модели целей, 3D-модели РЛС, сценарии ИМ, проекты ФР, результаты имитационного моделирования.
СПАК позволяет решать задачи проектирования как конструктивных элементов РЛС, так и программно-алгоритмического обеспечения, опираясь на примеры проектов, выполненных на основе данных об актуальных РЛС, принятых на вооружение и разрабатываемых в Российской Федерации.
Заявленное изобретение поясняется на чертежах, где:
На фиг. 1 - Клиент-серверная архитектура СПАК
1. - графический интерфейс и органы управления
2. - функциональный редактор структуры радиолокационной станции;
3. - модуль экономических расчетов;
4. - модуль предварительной оценки параметров;
5. - сервер имитационного моделирования;
6. - сервер имитационного моделирования;
7. - расчетные модули (расчет распространения и рассеяния радиолокационного сигнала, расчет диаграммы направленности антенной решетки, расчет траекторий объектов наблюдения и т.д.).
На фиг. 2 - Граф потока данных модуля предварительной оценки параметров в окне редактирования
На фиг. 3 - Этапы маршрута проектирования РЛС в СПАК
На фиг. 4 - Граф потока данных модуля имитационного моделирования в окне редактирования
СПАК обладает следующим:
1) наличием встроенной радиосцены на основе геоинформационной системы;
2) возможностью моделирования РЛК и РЛ-систем;
3) возможностью проведения технико-экономического анализа вариантов РЛС;
4) возможностью сравнительного анализа вариантов РЛС по показателям эффективности и стоимости с выбором Парето-оптимальных вариантов.
СПАК обладает следующими преимуществами:
1) подключать частные модели РЛС через удобный интерфейс автоматической сборки модулей;
2) подключать лабораторно-испытательное оборудование и специализированные программные продукты;
3) обеспечивать автоматизированное проектирование алгоритмов цифровой обработки радиолокационных сигналов и информации, обеспечивающих расчет отсчетов комплексной огибающей сигналов и помех, оценку результатов работы первичной обработки информации и вторичной обработки информации РЛС;
4) задачи моделирования фоно-целевой и помеховой обстановки, программно-алгоритмического обеспечения РЛС с использованием геоинформационных систем;
5) оптимизационные задачи проектирования как конструктивных элементов РЛС, так и программно-алгоритмического обеспечения;
6) исследование процессов функционирования проектируемых РЛС в различных условиях фоно-целевой и помеховой обстановки;
7) сравнение альтернативных вариантов состава, построения и боевого применения РЛС;
8) оценки различных алгоритмических решений по обработке РЛИ в РЛС;
9) оценки соответствия тактико-технических характеристик создаваемых средств требованиям тактико-технического задания;
10) оценки эффективности боевого применения РЛС в составе группировок войск в различных условиях фоно-целевой и помеховой обстановки;
11) обоснование требований к перспективным РЛС и условиям их боевого применения;
12) проводить предварительную оценку параметров РЛС;
13) проводить моделирование динамического поведения РЛС;
В СПАК для создания имитационных моделей используется подход под названием «программирование потоков данных». Популярными представителями программного обеспечения с этим подходом являются Simulink и LabView.
Пользователь с помощью визуального конструктора составляет граф вычислений из блоков, конфигурирует параметры каждого блока и соединения между ними. По нажатию кнопки запуска вычисления, программное обеспечение обходит граф и вычисляет выходные данные каждого блока на основе входных данных и параметров блока.
Преимущества данной парадигмы - естественное визуальное представление (в виде графа вычислений) и поддержка параллелизма.
Имеется визуальный функциональный редактор, обеспечивающий возможность создания и расчёта графа потоковых вычислений.
СПАК реализует клиент-серверную архитектуру (см. фиг. 1):
• рабочее место оператора (клиентская часть): система ввода и редактирования исходных данных, система визуализации результатов расчетов и моделирования;
• удаленный сервер (серверная часть): сервер имитационного моделирования, банк данных.
Клиентская часть - автоматизированное рабочее место (АРМ) разработчика РЛС или, говоря более формально, среда инженерных расчетов и моделирования, содержит средства ввода и редактирования всех исходных данных, просмотра результатов вычислений, функционал управления вычислительными модулями, экспорта-импорта данных и моделей из сторонних САПР и 3D-редакторов. Эта часть функционирует под операционными системами (ОС) Windows и Linux.
Серверная часть, состоит из вычислительных модулей; эти модули функционируют, как в гетерогенной распределенной вычислительной среде, так и в пределах одной-единственной электронно-вычислительной машины. Клиентская часть через защищенное соединение взаимодействует с серверной частью СПАК и банком данных. Серверная часть также имеет межплатформенную реализацию для ОС Linux и для ОС Windows.
Банк данных (БКД), содержащий наборы исходных данных, сценарии моделирования и соответствующие результаты содержит информацию как в виде реляционных баз данных (БД), с доступом через систему управления БД, так и в виде упорядоченной совокупности файлов - хранилищ.
Реализация такой клиент-серверной архитектуры позволяет не только запускать вычислительные процессы на сервере удаленно и управлять ими через клиентское приложение на отдельном компьютере, но и запускать несколько клиентских приложений для одновременного проведения нескольких экспериментов. Также в процессе прохождения маршрута проектирования возможно на кластере проводить параллельно несколько расчетов для алгоритма или его части с различными исходными данными для расчета. В таком случае параллельно используются несколько узлов кластера, на каждом узле запускаются расчетные блоки, реализующие такой алгоритм.
Структура клиентской части СПАК:
1) Средства инженерных расчетов и моделирования в составе:
- модуль предварительной оценки параметров (МПОП) РЛС. Модуль предварительной оценки параметров РЛС обеспечивает оперативный предварительный расчет численных значений параметров РЛС, требуемых для обеспечения заданных значений характеристик РЛС, локально на персональном компьютере. При этом модуль обеспечивает как чтение значений входных параметров и требуемых значений характеристик из БКД или файлового хранилища (ФХ), так и их ввод оператором вручную в графическом интерфейсе. Также модуль должен обеспечивать запись вычисленных искомых численных значений параметров в БКД или ФХ. Реализация МПОП обеспечивается за счет технологии графа потоков данных. Пример реализации расчетов в МПОП приведён в фиг. 2;
- модуль редактирования и визуализации результатов инженерных расчетов. Модуль редактирования и визуализации результатов инженерного анализа обеспечивает импорт 3D-моделей РЛС (компонентов РЛС), ОН, разработанных в сторонних САПР, их редактирование и отображение в графическом интерфейсе пользователя, формирование расчетных заданий для запуска инженерных расчетов, иллюстрацию результатов учета влияния внешних воздействий на конструкцию РЛС, форму диаграммы направленности антенны, результатов расчета пространственных диаграмм обратного рассеяния для ОН;
- модуль ИМ. Модуль ИМ обеспечивает формирование (загрузку) сценария, инициализацию и запуск имитационного эксперимента, а также воспроизведение протокола заранее просчитанного эксперимента и визуализацию результатов;
- модуль статистической обработки и оптимизации. Он обладает графическим интерфейсом и обеспечивает: задание перечня варьируемых входных параметров, выбор и фиксацию набора заданных показателей эффективности, выбор аппаратного вычислительного ресурса для запуска расчетов, формирование структуры вычислительных задач (имитационных экспериментов), расчет репрезентативной выборки (статистический расчет) численных значений заданных показателей эффективности путем параллельного запуска ряда имитационных экспериментов по одному сценарию с одинаковыми входными параметрами, запись результатов в БКД или ФХ, задание критерия останова и реализацию автоматического прекращения вычислений по заданному критерию, расчет статистических характеристик случайно распределенных численных значений заданных показателей эффективности, расчет массива таблиц значений заданных показателей эффективности для оптимизации путем параллельного запуска ряда имитационных экспериментов по одному или нескольким отличающимся сценариям со значениями входных параметров из многомерной сетки (оптимизационный расчет), статистический и оптимизационный расчет, многокритериальную оптимизацию, формирование отчета по проведенной оптимизации, визуальное представление в виде гистограмм полученных значений по каждому показателю эффективности (для двумерных и трехмерных сечений в 2D- и 3D-представлении соответственно), интерактивный выбор интересующей точки из множества Парето, автоматическую загрузку соответствующего сценария моделирования.
- модуль экономических расчетов. Он обладает графическим интерфейсом и обеспечивает приблизительную оценку стоимости образца изделия, а также комплексную оценку увеличения значений достигаемых показателей эффективности относительно прироста стоимости (показатель «цена/качество») в сравнении с образцами РЛС (РЛК, РЛ-систем) аналогичного назначения;
- модуль сопряжения с программного обеспечения и КИО сторонних производителей. Этот модуль предназначен для проведения полунатурного моделирования в составе СПАК;
- модуль администрирования БКД. Модуль администрирования БКД обеспечивает администрирование, обзор, быстрый прямой доступ и коллективное использование разнородных данных в базе данных БД, требуемых для работы СПАК;
- модуль администрирования ФХ. Модуль администрирования ФХ обеспечивает администрирование, обзор, быстрый прямой доступ, и коллективное использование разнородных данных в ФХ, требуемых для работы СПАК;
- пользовательский интерфейс конфигурирования программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Пользовательский интерфейс конфигурирования ПЛИС обеспечивает обзор, выбор и загрузку из ФХ прошивок, конфигурирование ПЛИС суперкомпьютера;
2) пакет программных средств инженерных расчетов в составе:
- комплекс моделирования деформаций под влиянием внешних воздействий (КМДВВ). КМДВВ обеспечивает: загрузку исходных данных для расчета из БКД или ФХ, задание граничных условий моделирования, задание расчетного профиля, построение расчетной сетки конструкции РЛС и пространства, проверку построенных сеток на пригодность к выполнению расчетов, расчет характеристик пространственного обтекания РЛС, расчет ветровых нагрузок на конструкцию при вязком обтекании с учетом приземного пограничного слоя, расчет тепловых нагрузок на конструкцию РЛС с учетом теплового потока со стороны Солнца, расчет распределения температуры по поверхности РЛС с учетом выхода теплового процесса на стационарный режим, при котором возникает тепловой баланс между подводимой и отводимой энергиями, учет особенностей приземного пограничного слоя путем сгущения сетки в данном слое и области неоднородности вокруг объекта путем сгущения сетки с учетом формы объекта, расчет деформаций антенны радиолокатора, расчет характеристик прочности РЛС, расчет на всем доступном вычислительном ресурсе перечисленных величин для заданного расчетного профиля, формирование на их основе связанного множества деформированных 3D-моделей РЛС с учетом влияния внешних воздействий, сохранение результатов работы комплекса, а также расчетного профиля в БКД или ФХ. Реализация КМДВВ основана на методах решения дифференциальных уравнений на конечно-элементной сетке для определения полей перемещения, напряжения и тепловых характеристик;
- блок расчета диаграммы направленности антенны с учетом внешних воздействий (ДНАВВ) обеспечивает: загрузку исходных данных для расчета из БКД или ФХ: связанное множество 3D-моделей РЛС, загрузку из БД свойств объектов ИМ сектора обзора и шага по азимуту и углу места, расчет диаграммы направленности антенны для множества загруженных 3D-моделей РЛС на передачу и на прием, расчет параметров диаграммы направленности антенны, отображение главных сечений и пространственной диаграммы направленности антенной решетки и ее рассчитанных параметров, учет влияния диаграммы направленности отдельного приемопередающего модуля на форму диаграммы направленности антенны, учет изменения формы диаграммы направленности антенны при выходе из строя приемопередающего модуля, сохранение результатов расчета в БКД или ФХ, загрузку и визуализацию результатов ранее проведенных расчетов из БКД или ФХ. Реализация ДНАВВ основана на расчете напряженностей электромагнитного поля в дальней зоне, в зависимости от пространственного положения антенных элементов, а также диаграммы направленности отдельного излучателя;
- блок расчета ЭПР ОН. Он обеспечивает расчет величины отраженного сигнала с учетом ракурса облучения по азимуту и углу места с задаваемым шагом по углу, длины волны, поляризации и отражающих свойств покрытия ОН. Реализованы следующие методы расчета диаграммы обратного рассеяния тел сложной формы: метод физической оптики, метод интегральных уравнений. При расчете учитываются такие эффекты, как отражение сигнала от острых кромок, множественные переотражения, слоистые структуры из разных материалов;
3) набор прикладных программных модулей (НППМ) в составе:
- блок моделирования динамического поведения РЛС как системы твердых тел (БДПРЛС). БДПРЛС обеспечивает: ИМ РЛС, представленной в виде механической системы твердых тел, расчет коэффициентов жесткости и демпфирования зубчатого соединения, расчет передаточного отношения, оценку вала на прочность при кручении, расчет частоты вращения, крутящего момента и мощности на валу, оценку устойчивости РЛС;
- комплекс моделирования аппаратных компонентов РЛС. Он обеспечивает расчет: характеристик источников электропитания различных типов, расчет отсчетов комплексной огибающей различных типов зондирующих сигналов моделируемой РЛС по исходным данным из БД свойств объектов ИМ, значений сигналов поступающих в антенно-фидерный тракт для последующего излучения, отсчетов комплексной огибающей сигналов и помех на выходе приемных каналов РЛС с учетом наличия в них смесителей и полосовых фильтров и/или неравномерностей амплитудно- и фазо- частотных характеристик полосового фильтра, отношений сигнал/шум и помеха/шум в различных сечениях приемного тракта РЛС;
- блок моделирования летающих средств. Он обеспечивает учет влияния свойств телекоммуникационных линий, используемых для обмена данными между компонентами РЛК, РЛ-систем: командных пунктов и РЛС;
- комплекс моделирования программно-алгоритмического обеспечения РЛС. Он обеспечивает: моделирование формирования и процесса обзора барьерных зон обзора, расчет целеуказаний для осуществления поиска целей в заданной зоне обзора пространства в соответствии с заданным видом работы, управление распределением временного ресурса на обнаружение и сопровождение, анализ распределения интенсивности активных помех по частотным точкам, выбор типа зондирующего сигнала, длительности пачки, длительности такта, адаптацию параметров РЛС (РЛК, РЛ-системы) к меняющимся условиям ПЦО и задействование алгоритмов помехоподавления, выбор формы и количества приемных пеленгационных связок, выбор режима работы, реализацию алгоритмов цифровой обработки сигналов, обработку моделируемых сигналов согласно алгоритмам цифровой обработки сигналов с реализацией на ПЛИС суперкомпьютера в процессе ИМ;
- комплекс моделирования программно-алгоритмического обеспечения командного пункта. Комплекс обеспечивает моделирование отождествления траекторий цел, формирования единого массива траекторий;
- комплекс моделирования ПЦО. Он обеспечивает: расчет траекторных параметров движения моделируемых объектов, расчет для каждого приемного канала отсчетов комплексной огибающей внутреннего/внешнего шума и помех, расчет отсчетов комплексной огибающей различных типов помех, расчет изменения характеристик сигнала в вакууме и воздухе, учет эффектов прохождения сигнала через различные слои атмосферы, расчет изменения характеристик сигнала в тумане и осадках, расчет изменения характеристик радиолокационного поля в приземном слое с учетом электродинамических свойств подстилающей поверхности, учет изменения свойств радиолокационного сигнала;
Реализация прикладных программных модулей, моделирующих работу радиолокационных станций, основана на имеющихся в Концерне данных и адекватна реальным процессам функционирования РЛС.
4) программный компонент автоматизированной сборки вычислительных модулей, написанный на языке С++. Он обеспечивает: проверку сигнатуры конвертируемых классов, генерацию дополнительного кода C++ для оборачивания классов в Python, запуск сборки модуля стандартными средствами ОС семейств Windows и Linux, установку модуля в систему и директорию с библиотеками;
5) АРМ с возможностью соединения с сервером и лабораторным оборудованием.
Серверная часть СПАК содержит программные средства для проведения ресурсоемких расчетов, в том числе с использованием суперкомпьютерных технологий. Состав программных средств серверной части:
1) сервер имитационного моделирования;
2) средства расчета пакета программных средств инженерных расчетов
3) банк данных в составе:
- лётно-технические характеристики аэродинамических объектов, характеристики баллистических объектов наблюдения;
- результаты имитационного моделирования;
- база данных по стоимостям компонентов РЛС;
- цифровая картографическая информация;
- 3D-модели РЛС и объектов наблюдения;
- конфигурационные файлы для ПЛИС;
- настройки для КИО;
Клиентский слой
Клиентская часть СПАК работает на персональных компьютерах с процессорами архитектуры х86-64, объемом оперативного запоминающего устройства не менее 12 Гб, и является кроссплатформенной, что позволяет работать в следующих ОС:
1) семейство ОС Windows х86-64;
2) семейство Unix-подобных ОС на базе ядра Linux.
Опционально СПАК возможно расширить путем подключения вычислительного сервера, а также суперкомпьютера с планировщиком задач SLURM.
Серверный слой
Серверная часть СПАК работает на серверном компьютере с объемом видеопамяти не менее 8192 Мб, монтированным в стойку с процессорами архитектуры х86-64, объемом оперативного запоминающего устройства не менее 512 Гб, работающим на ОС WindowsServer 2012 R2.
Взаимодействие клиентской части с серверной
Основным режимом работы СПАК является клиент-серверное взаимодействие. На АРМ пользователя производится ввод/вывод команд, взаимодействие с графическим интерфейсом и соединение с КИО. На сервере производится расчёт и находятся полная БД и ФХ. Дополнительно может быть использован вычислительный кластер с установленными вычислительными модулями.
Подключение к серверу осуществляется по сети с указанием IP-адреса и порта подключения. Таким же образом организовано подключение к вычислительному кластеру. Настройка сетевых параметров производится в модуле управления высокопроизводительными вычислениями.
Клиентская часть на АРМ пользователя может использовать локальный сервер - в таком случае на АРМ разворачивается тот же набор программных средств, что и на сервере.
СПАК реализует методы оценки стоимости изделий по аналогам, для этого требуется хранить наборы исходных данных радиолокационных станций и составных частей сгруппированные в соответствии с принятой в СПАК классификацией.
Структура исходных данных едина для всех изделий и позволяет легко и эффективно пополнять базу данных как отдельными узлами и системами РЛС, так и информацией по станциям целиком. Гибкость структуры обеспечивает единообразие данных как по отдельным составным частям РЛС, так и по станциям целиком, что упрощает работу с БД.
Экземпляры исходных данных по каждому устройству хранятся в БД, сгруппированные по признаку конструктивной схожести. В СПАК обеспечены инструменты просмотра и корректировки полученных исходных данных.
Перечень параметров и их формат для каждого узла и в общем РЛС фиксирован. Пользователь должен иметь возможность ввода недостающих значений параметров.
Оценка стоимости в СПАК производится с использованием параметрических методов на основе исходных данных по аналогичным устройствам и РЛС. Заранее для каждой группы устройств формируется параметрическая модель стоимости, представляющая собой зависимость стоимости от наиболее характерных технических параметров изделия.
Параметрическая модель формально является математической функцией, и с некоторой погрешностью может быть представлена в виде полинома определённого порядка. Коэффициенты полинома рассчитываются в блоке формирования функций расчета стоимости для подготовки параметрических стоимостных моделей заранее и хранятся внутри СПАК. Предусмотрен механизм ручного выбора и изменения параметрических моделей для каждого набора исходных данных, к примеру, вводом коэффициентов полинома или редактирования графика стоимостной зависимости в графическом интерфейсе.
Готовым параметрическим моделям присваивается уникальный идентификатор, под которым они хранятся в базе, и вызываются блоком расчета стоимости, в соответствии с составом проектируемой РЛС из модуля предварительной оценки параметров.
Маршрут проектирования, реализованный в СПАК, позволяет формировать множество альтернативных вариантов технических решений РЛС, сравнивать их между собой по результатам оценки показателей эффективности и стоимости, проводить отбор оптимальных по Парето вариантов.
Объектом анализа и синтеза при построении маршрута проектирования РЛС является схема работы проектировщика РЛС, которая является схемой принятия решения о рациональных обобщенных вариантах РЛС. Конкретными частными объектами анализа и синтеза являются:
1) разбиение всех действий проектировщика на этапы (подэтапы), связанные между собой цепочкой промежуточных целей, оканчивающейся достижением основной цели - рациональными обобщенными вариантами РЛС,
2) частные алгоритмы выполнения отдельных этапов (подэтапов) действий проектировщика и структуры данных, поддерживающие эти алгоритмы.
В целом последовательность этапов (подэтапов) разбивается на две фазы:
РЛС-О
- фаза подготовки множества М альтернатив обобщенных вариантов РЛС;
,
РЛС-О
- фаза оптимизации на которой из множества М выбирается существенно ограниченное количество рациональных обобщенных вариантов РЛС.
Схема работы проектировщика РЛС должна обеспечивать эффективный непрерывный сквозной цикл проектирования обобщенных обликов перспективных РЛС или РЛ-систем. Для реализации этого требования, указанная схема строится в виде схемы последовательного принятия решения о характеристиках РЛС согласно следующей парадигме:
РЛС-О
РЛС-О
- в качестве основного объекта принимается множество М альтернатив обобщенных вариантов РЛС. Таким образом, М является динамическим объектом, постоянно меняющимся в процессе проектирования;
РЛС-О
- начальным значением М является неопределенное по мощности и составу множество потенциально допустимых вариантов РЛС;
РЛС-О
- целью каждого этапа (подэтапа) проектирования является либо понижение мощности множества М, либо получение информации, дополняющей описания отдельных обобщенных вариантов РЛС с помощью только технических параметров;
- на первом этапе реализован переход от абстрактного существенно неопределенного множества обобщенных вариантов РЛС к конечному множеству;
- на последнем этапе формируется легко обозримое множество рациональных обобщенных вариантов РЛС, механизм сравнения которых достаточен для выбора целесообразного направления дальнейшей разработки;
- разработаны эффективные и унифицированные в рамках СПАК структуры данных для обеспечения процесса проектирования средствами сохранения информации о промежуточных и конечном состояниях множества допустимых вариантов РЛС.
Пример проведения проектирования в СПАК
Этапы проведения имитационного моделирования в примере основаны на функциональной схеме на фиг. 5. Они включают:
1) этап предварительной оценки параметров, состоящем из следующих шагов:
- вызов меню предварительной оценки параметров следующим путем: запуск среды инженерных расчетов и моделирования из консоли, выбор нового или существующего проекта, выбор «задать схему МПОП/РЛС» на панели «Действия» окна «Проектирование нового изделия»;
- ввод класса РЛС, задание технических характеристик;
Класс РЛС вводится путем создания нового проекта в начальном окне СПАК. Появится всплывающее окно «Класс РЛС» куда требуется ввести: наименование класса, тип базирования, тип размещения, мобильность, количество измеряемых координат, тип излучаемого сигнала, метод радиолокации, число каналов, вид когерентности.
- выбор шаблона расчета параметров;
Выбрать шаблон расчета параметров можно выбрать в меню «Задать схему МПОП». Это окно появляется при выборе действия «Задать схему МПОП/РЛС».
- задание ограничений на технические параметры;
Задать ограничения на технические параметры можно сделать путем вызова действия «Редактировать функциональную модель РЛС». Появится функциональный редактор, основанный на графе потока данных. Можно выбрать блоки логических операций с величиной аргумента равным требуемой величине.
- расчет значений тактических характеристик;
Расчет значений тактических характеристик вызывает путем нажатия кнопки «Выполнить в поле «Действия» окна проектирования изделия.
- отсев вариантов, не удовлетворяющих требованиям.
Предназначение этого этапа (предварительной оценки параметров) состоит в генерации множества вариантов РЛС, каждый из которых характеризуется набором технических параметров.
Реализация данного этапа проектирования в СПАК выполнена в модуле предварительной оценки параметров с использованием технологии графа потоков данных (фиг. 5). Для осуществления указанных операций проектировщик должен составить граф, в котором центральным звеном будет собственной блок, в котором вычисляются тактические характеристики на основе технических. На вход вычислительного блока проектировщик должен подать диапазоны значений технических характеристик, опять же посредством специальных блоков. Выход вычислительного блока необходимо соединить с блоками, осуществляющими отсев вариантов РЛС, то есть с блоками логических условий.
2) этап имитационного моделирования, состоящем из следующих шагов:
- выбор шаблона модели РЛС;
Выбор шаблона модели РЛС осуществляется нажатием кнопки «Разместить экземпляр «РЛС» на карте», ее размещением на карте в заданной точке и выбором в меню «Редактировать РЛС на основе графа потока данных» в поле привязки антенны меню «выбрать шаблон РЛС». Появится всплывающее окно. Требуется выбрать шаблон, соответствующий РЛС заданного класса.
- настройка модели РЛС;
Настройка модели РЛС выполняется в окне «Редактировать РЛС на основе графа потока данных» при размещении РЛС на карте. Здесь требуется: вести наименование, привести описание, выставить широту и долготу базирования РЛС, задать высоту относительно уровня моря, определить максимальную инструментальную дальность, заданной в тактико-технических характеристиках РЛС.
- выставление траектории движения цели;
Очередность такая: выбор варианта оснащения (оружие, подвесные баки, ракеты, установщики активных помех и вспомогательное оборудование), выбор оснащения цели (задать наименование, тип цели и вариант оснащения, определенный на предыдущем шаге), задание группы налета (определяется наименование группы и боевого порядка, выставляются доступные цели, установленные на предыдущем шаге), задание маршрута (можно внести корректировки по позиционированию в каждый из фиксированных положений цели).
- запуск экспериментов;
Запуск экспериментов выполняется посредством нажатия кнопки «Запустить процесс имитационного моделирования» или клавишей F5.
- расчет показателей эффективности вариантов РЛС.
Расчет показателей эффективности выполняется путем вызова этого инструмента из консоли и выбором требуемого инструмента в окне «Начальное окно САПР-РЛС» и выбором меню инструменты.
После этапа предварительной оценки РЛС идет этап имитационного моделирования. Предназначение этапа заключается в более точном исследовании сформированных на этапе предварительной оценки параметров вариантов РЛС. По результату моделирования каждому варианту РЛС ставится в соответствие численное значение обобщенного показателя эффективности, которое используется при проведении Парето-оптимизации.
Здесь также применена базовая технологий графа потока данных. Модель РЛС формируется из функциональных блоков, каждый из которых связан с какой-либо частью технических параметров. За счет этого появляется возможность в автоматическом режиме моделировать различные варианты РЛС, используя просто тот или набор параметров РЛС из множества вариантов РЛС.
Оценка эффективности работы разрабатываемой РЛС может производиться также в составе комплекса или РЛ системы. Для этого пользователь СПАК имеет возможность составить несколько сценариев, разместив группу РЛС и командных пунктов на карте местности, задать условия работы, действия противника, и произвести серию имитационных экспериментов. СПАК содержит модели командных пунктов с различными вариантами третичной обработки информации, средства редактирования подчинённости РЛС, средства расчета множества сценариев, в том числе на вычислительных узлах суперкомпьютера.
3) этап технико-экономического анализа, состоящим из следующих шагов:
- группировка узлов по аналогам;
Выполняется посредством нажатия кнопки «Оценка стоимости и Парето-оптимизация» в окне проектирования нового изделия в поле «Действия», далее выбрать «создание стоимостной модели РЛС» или «Редактирование стоимостной модели РЛС». Появится окно «Создание стоимостных моделей». Здесь в поле «База данных - Аналоги» можно выбрать аналоги проектируемого изделия.
- расчет функции стоимости по каждой группе узлов;
Выполняется посредством нажатия кнопки «Оценка стоимости и Парето-оптимизация» в окне проектирования нового изделия в поле «Действия», далее выбрать «Расчет стоимости РЛС». Требуется нажать кнопку «Расчет». Результат расчета занесется в БД.
- расчет стоимости.
Выполняется посредством нажатия кнопки «Оценка стоимости и Парето-оптимизация» в окне проектирования нового изделия в поле «Действия», далее выбрать «Расчет стоимости РЛС». Требуется нажать кнопку «Расчет стоимости РЛС». Результат расчета занесется в БД.
По результатам этапа имитационного моделирования получаем показатели эффективности для набора технических решений РЛС, в то же время на этапе технико-экономического анализа для этого набора получаем стоимостные показатели.
В методике оценки заложен принцип сравнения с аналогичными устройствами из состава РЛС, используются данные о стоимостях однотипных изделий с учётом технических параметров.
Все исходные данные, имеющиеся в базе СПАК разбиваются на группы по конструктивной схожести. По каждой группе формируется параметрическая функция стоимости, которая представляет собой математическую зависимость стоимости составной части изделия от основных технических параметров. Стоимость проектируемого изделия оценивается, как совокупность рассчитанных значений указанной функции для выбранных составных частей изделия в зависимости от текущего набора их параметров.
Реализована методика следующим образом:
- в соответствии с классом РЛС от МПОП помимо наборов технических параметров РЛС поступает информация о том, какие составные узлы входят в эту РЛС;
- для оценки стоимости в соответствии с выбранным классом РЛС для перечня ее составных узлов из банка данных выбираются аналоги;
- на основе сравнения с аналогами значений основных технических параметров для проектируемых составных частей РЛС производится оценка стоимости.
Пользователю САПР предоставляется возможность оценки стоимости экспертным/аналитическим методом в случае, когда уже имеется представление о функции цены составной части РЛС.
Заложенные в модуль оценки математические алгоритмы не зависят от конкретных значений исходных данных, поэтому могут применяться при недостаточном количестве статистических данных, увеличивая достоверность оценки по мере заполнения банка данных.
По результатам данного этапа проектирования в СПАК получают оценку стоимости разных вариантов РЛС.
4) этап Парето-оптимизации
Выполняется посредством нажатия кнопки «Оценка стоимости и Парето-оптимизация» в окне проектирования нового изделия в поле «Действия», далее выбрать «Парето-оптимизация». Появится двумерная система координат с абсциссой- стоимостью, ординатой - эффективностью.
На конечном этапе проектирования в САПР для каждого варианта РЛС получены соответствующие значения показателей эффективности - по результатам этапа имитационного моделирования, и стоимости - по результатам этапа оценки стоимости. Эти результаты используются для отбора суженого множества вариантов РЛС по критерию вида «эффективность-стоимость». Пользователь для всех выводимых системой оптимальных в смысле Парето решений видит, какие там значения параметров, показатели эффективности и стоимости, и может провести сравнение.
Именно это множество решений является основным результатом проектирования. Таким образом, СПАК предоставляет проектировщику инструмент формирования облика РЛС под заданные тактические требования с возможностью сравнения и выбора различных вариантов исполнения РЛС.
ЛИТЕРАТУРА
1. STK Professional Spec Sheet // agi.com URL: https://www.agi.com/getmedia/172b0f02-7469-4fbf-9d5c-9c6e6f36aa87/STK-Pro-Product-Specsheet.pdf?ext=.pdf) (дата обращения: 16.01.2020).
2. Программное обеспечение AWR // awr.com/ru URL: https://www.awr.com/serve/ni-awr-software-portfolio-russian (дата обращения: 16.01.2020).
3. Altium Designer // altium.com URL: https://altium.com/altium-designer/ru (дата обращения: 16.01.2020).
4. Solidworks 3D CAD // solidworks.com URL: https://www.solidworks.com/sites/default/files/2019-07/3DS-2020-DataSheet-3DCAD.pdf (дата обращения: 16.01.2020).
5. Документация Matlab // exponenta.ru URL: https://exponenta.ru/matlab (дата обращения: 16.01.2020).
6. ПО PathWave Design новое поколение САПР электронных устройств // keysight.com URL: https://www.keysight.com/ru/ru/assets/7018-06644/brochures/5992-4019.pdf (дата обращения: 16.01.2020).