Структурный анализ сети сбора телеметрической информации в аспекте создания системы синтеза ее оптимальных структур

соединителей и проводов, ограниченных специальным перечнем и подходящих под условия эксплуатации внутри изделия и т.д. Однако прежде, чем приступить к созданию такой САПР необходимо сформировать понятия о предметах, фактах и событиях, которыми будет оперировать данная система. Для этого необходимо привести эти понятия к той или иной модели данных путем замены их информационными представлениями. По функциональному назначению ССТИ БСТИ является информационной системой, поскольку при решении задач сбора ТМИ на изделии и представления ее в форме, согласующейся с используемым в БСТИ методом передачи информации и характеристиками радиолинии, первичные сигналы претерпевают ряд преобразований. Как правило, при разработке информационных систем вся сложность сосредоточена на начальных этапах (анализ требований и проектирование спецификаций) при относительно невысокой сложности и трудоемкости последующих этапов. Для преодоления сложностей начальных этапов разработки, прежде всего и предназначен структурный анализ – метод исследования, который начинается с общего обзора системы и затем детализируется, приобретая иерархическую структуру с все большим числом уровней [1]. Сущность структурного подхода к разработке информационной системы заключается в ее декомпозиции на автоматизируемые функции, при этом автоматизируемая система сохраняет целостное представление, в котором все составляющие компоненты взаимоувязаны.

Информационная модель ССТИ. Исходя из неформального описания предметной области, можно выделить ее следующие основные объекты: - телеметрические параметры, контролирующие состояние конструкции изделия и телеметрируемых систем (приборов);

• -    телеметрические приборы, к которым относятся средства первичного преобразования и приборы сбора информации, имеющие как информационные каналы, предназначенные для передачи информации, так и каналы, обеспечивающие работу самого прибора;

• -    электро- радиоэлементы (соединители, провода, экраны), предназначенные для обеспечения электрических связей цепей каналов, имеющие разные условия эксплуатации и разные значения электрического нагружения;

• -    элементы конструкции изделия (платы, гермоплаты), которые используются для монтажа электросоединителей и однозначно определяют место разрыва кабельной сети;

• -    элементы конструкции изделия (зоны), разделяющие конструкцию изделия на отдельные элементы, характеризующиеся определенными условиями эксплуатации;

• -    бортовая кабельная сеть, состоящая из отдельных кабелей и соединяющая цепи каналов для обеспечения функционирования ССТИ согласно программе измерений.

При этом большинство из перечисленных объектов с точки зрения проектирования ССТИ необходимо рассматривать на более низком иерархическом уровне, т.е. на уровне элементов их составляющих [2]. Каждый абстрактный объект (сущность) представляет собой соответствующее функциональное пространство, т.е. счетное множество, состоящее из совокупности элементов, обладающих некоторыми общими свойствами, которые можно отличать друг от друга и определять, принадлежит ли данный элемент данной сущности. Рассмотрим каждое множество сущностей, используя определения и математический аппарат теории множеств.

Основными элементами, которые используются для организации электрической связи между элементами ССТИ, являются электрические соединители и провода, номенклатуру которых определяет перечень электро радио элементов, разрешенных к применению в ракетнокосмической технике. В электросоединителях применяются два вида соединительных групп (контактов): гнездо и штырь. Исходя из вида применяемых контактных групп, электросоединитель может быть следующего конструктивного вида: «вилкой» или «розеткой». К тому же в ССТИ могут использоваться «переходные колодки», которые устанавливаются на гермоплатах и предназначены для связи цепей из гермоотсека с цепями из других отсеков. Введем понятие «Соединитель» - c i е Con = {( cType , cTypeRt , cKind , cKindUs , cKindSt , cPin , cEnvir )}. Здесь и далее элементы множеств сущностей являются атрибуты, предназначенные для квалификации, идентификации, классификации, количественной характеристики или выражения состояния данных сущностей [3].

Основной характеристикой соединителя с точки зрения проектирования ССТИ является его пропускная способность, т.е. способность соединителя подключать к себе заданный объем проводов заданного сечения и которая ровна сумме пропускных способностей каждого его контакта. Каждый контакт соединителя является элементом сущности «Контакт» pn i е Pin = {(pnNumb , pnType , pnDiam , pnMater , pnLoad) }. Применяемые в ССТИ провода могут иметь от одной до нескольких жил в своем составе. При этом данные жилы могут быть перевиты между собой с определенным шагом перевивки, а поверх них может быть надет экран заданного типа. Сущность «Провод» определяется - w, е Wire = {( wType , wCore , wStep , wScreen , wEnvir )}, а каждая жила провода является элементом сущности «Жила» - cr i е Core = {(pnSign , pnDiam , pnMater , crLoad )}. Процесс преобразования телеметрической информации и передачи ее на прибор формирования телеметрического кадра осуществляется с помощью ССТИ, основу которой составляют приборы, представляющие собой сущность «Прибор» - d i е Dev = {( dSign , dCode , dInter , dTrack , dEnvir )}. С точки зрения проектирования ССТИ прибор представляет собой конструктивно законченный элемент, который можно разместить в заданной точке изделия и который включает в себя множество заданных каналов, которые могут использоваться в ССТИ, поэтому для разработки ССТИ больший интерес представляет рассмотрение множества Dev на более низком иерархическом уровне, т.е. на уровне его каналов, цепей, интерфейсов и экранов. Сущность «Канал» задана - t i е Track = {( tSign , tKind , tType , tSort , tPurp , tChain )}.Функционально канал состоит из определенного количества цепей, которые предназначены для передачи определенного вида сигнала. Сущность «Цепь» - ch i е Chain = {( chSign , chKind , chPurp , chLoad , chWire , chScreen )}.

Интерфейсы приборов, применяемые в системе измерения, могут быть двух видов: электросоединитель или открытый конец провода, который соединяется с проводом кабеля методом пайки Опишем сущность «Интерфейс» - in i е Inter = {( inSign , inKind , inType )}. Электрический экран предназначен для защиты электрических цепей от воздействия на них внешних помех и образования в них паразитных наводок. Сущность «Экран» описана - sc i е Screen = {( scType , scKind , scOut )}. В процессе разработки ССТИ для каждой цепи определяются допустимые электрические нагрузки, проходящих через них сигналов, которые отражаются в картах рабочих режимов элементов ССТИ. Понятие «Нагрузка» описана сущностью - l i е Load = {( ISign , ICurrentWork , IVoltagePin , ICurrentSum , ITempPin , IFactorLoad) }. На рис. 1 приведен фрагмент информационной модели ССТИ в виде модели

«сущность-связь» построенной на основании рассмотренных сущностей, их атрибутов и информационных связей между ними [4]. Модель выполнена близко к нотации Баркера и для упрощения диаграммы на ней не приведены на- именования связей, при этом разрывы связей с сущностями из других фрагментов показаны номерами в круге, имеющие на разных фрагментах одинаковое значение для одной и той же связи.

Экран й Тип экрана Вид экрана Вид связи

______ Цепь _____

, й Обозначение

' Вид цепи

Назначение цепи

Провода для цепи

:- Экр анв! для цепи

Электрическая нагрузка

_______Нагрузка______ й Обозначение

Рабочий ток в отделвнойцепи

Напряжение между контактами

Суммарный ток

Т емпер атур а ср едв! контактов Коэф фициент нагрузки

Канал й Обозначение й Вид канала

Тип канала

Род канала

Назначение канала

Цепи канала

Контакт

Жила

Интерфейс

# Обозначение Вид интерфейса Тип интерфейса

# Номер контакта й Тип контакта

Впаиваемоств контакта

Материал контакта

Электрическая нагрузка

# Номер жилы Диаметр жилы Материал жилы Электрическая нагрузка

____Прибор____ й Обозначение Шифр прибора Интерфейсы прибора Каналы прибора Среда эксплуатации

_______________________________________________________________I________________________________________________________________________________________________________________

Соединитель й Тип соединителя Ответные части Вид соединителя Вид применяемости

____Провод й Тип провода Шаг перевивки жил Базовый экран Ж ипв1 провода Среда эксплуатации

___Вид конструкции

—^ Контактв! соединителя Среда эксплуатации

Рис . 1 . Фрагмент информационной модели, описывающий базовые объекты электрических связей и преобразования информации

Исходным документом для начала разработки ССТИ является программа телеметрических измерений, определяющая:

• -    состав телеметрических параметров;

• -    состав и последовательность приборов ССТИ, участвующих в сборе и преобразовании телеметрической информации для каждого параметра с привязкой этих параметров к каналам соответствующих приборов ССТИ.

Любой телеметрический параметр представляет собой элемент сущности «Параметр» -pi е Par = {(pSign, pBranch, pSDev)}. В состав ССТИ может входить несколько приборов, имеющих одинаковое обозначение и шифр и поэтому необходимо каждому прибору присвоить индивидуальное для ССТИ условное обозначение. В результате образуется сущность «Прибор ССТИ» - sdi е SDev = {(sdSign, sdDev, sdKind, sdSist, sdSch)}. Программа измерений закрепляет каждый параметр за каналами приборов ССТИ, которые их преобразуют. В результате каждый задействованный канал прибора ССТИ становится элементом сущности «Канал ССТИ» - sti е STrack = {(stSign, stSDev, stTrack, stPar)}. Учитывая то, что в составе ССТИ может быть несколько приборов одного типа и соответственно, имеющих одинаковую маркировку внешних интерфейсов, то необходимо произвести перемаркировку (домаркировку) индивидуальными схемными обозначениями все соединители приборов ССТИ. В результате образуется сущность «Интерфейс ССТИ» - sini е Sinter = {(sinSign, sinSDev, sinSign)}. На рис. 2 приведен фрагмент информационной модели ССТИ, описывающий связи рассмотренных сущностей.

Рис . 2 . Фрагмент информационной модели, описывающий объекты сети сбора и преобразования информации

В целом проектируемое изделие характеризуется показателями долговечности (Long) и сохраняемости (Stor), которые задают основные требования к элементам изделия с целью обеспечения срока его эксплуатации. Условия эксплуатации внутри и на поверхности изделия характеризует среда эксплуатации, которая задает предельные значения показателей внешних воздействий, действующих на элементы конструкции изделия.

Среда эксплуатации определена сущностью «Среда» - e i е Envir = {( eSign , eAcousFreqLow , eAcousFreqTop , eAcousSound Pres , eLinAccel , ePresEnvirLow , ePresEnvirTop , eTempLow , eTempTop , eDampPer , eDampTemp , eVibrAccel , eVibrFreqLow , eVibrFreqTop , eSingBlouAccel , eSingBlouLeng , eMultBlouAccel , eMultBlouLeng , eRad) }.

Любое проектируемое изделие ракетнокосмической техники, как правило, конструктивно состоит из нескольких условных зон. В понятие зоны входят все элементы, которые на определенных этапах изготовления, испытаний или транспортировки изделия конструктивно не связанны друг с другом (блоки, отсеки, агрегаты, узлы и т.д.). К зонам так же будем относить различные поверхности блоков, отсеков (внутренние, внешние), которые имеют различные среды эксплуатации. Сущность «Зона» - zi е Zone = {(zSign, zKind, zEnvir)}. Электрическая связь между парой зон образуется через электрические соединители, которые конструктивно располагаются на платах, при этом платы, на которых установлены гермосоединители для связи герметичных отсеков с друми отсеками изделия, называются гермоплаты. Сущность «Плата» - bi е Board = {(bSign, bKind, bCon)}.

Конфигурация каждой трассы, по которой возможна прокладка кабелей, в пространстве определенной зоны задается совокупностью участков трасс, представляющими собой связь между двумя узлами трассы. Узлами трассы являются все точки, в которых расположены приборы ССТИ, платы, а также точки разветвления трассы в нескольких направлениях и точки разрыва трассы, соединяющие друг с другом участки трасс связанных между собой зон. Сущность «Узел» описана элементами - n i е Node = {( nNumb , nZone , nElem )}. Участок трассы для прокладки кабелей образуется за счет связи пары узлов, а совокупность всех участков трасс образует множество Road . Таким образом, сущность «Трасса» - r i е Road = {( rNumb , rNode1 , rNode2 , rLength )}. Информацинные связи данных сущностей между собой и с другими сущностями приведены на рис. 3. Все межприборные связи в ССТИ осуществляются через интерфейсы приборов ССТИ и интерфейсы кабелей бортовой кабельной сети, которая в свою очередь образуется за счет связи интерфейсов отдельных кабелей. Кабель представляет собой конструктивно законченное изделие, состоящее из множества интерфейсов определенного типа.

Зона

# Обозначение

Вид зоны

Ср еда эксплуатации

Среда

______ Узел ______

/ # Номер

3 она р асположения

Р азмещаемые элементы

____ Трасса ____

# Номер

Номер первого узла Н ом ер втор ого узл а

Длина связи

# Обозначение-

Вид платы

С о е ди ните-ли гермоплат

# Обозначение

Нижняя граница частоты акустического шума Верхняя граница частоты акустического шума Звуковое давление акустического шума Линейное ускорение

Нижняя граница давления окружающей среды Верхняя граница давления окружающей среды Нижняя граница предельной температуры Верхняя граница предельной температуры Относительная влажность в процентах Температура относительной влажности У скор ение вибр ации

Нижняя граница частоты вибрации

Верхняя граница часто ты вибрации

Ускорение единичного механического удара Длительность единичного механического удара У скор ение многокр атного ме ханиче ско го удар а Длительность многократного механического удара Р адиационная с тонко сть

Рис . 3 . Фрагмент информационной модели, описывающий конструктивные объекты изделия

Контакты соединителей в кабеле связаны между собой определенными типами проводов, которые в свою очередь заключены в определенные типы экранов, а экраны выведены на заданные схемой элементы. Сущность «Кабель» - cb i е Cable = {( cbPos , cbDraw , cbCInter )}. В состав кабеля входят интерфейсы через которые обеспечивается связь с другими объектами ССТИ, при этом обозначение интерфейсов является так же как и интерфейсы ССТИ индивидуальными.

В результате образуется сущность «Интерфейс кабеля» - cini е CInter = {(cinSign, cinCab, ctKind, ctType)}. Электрическая связь между каналами ССТИ осуществляется через каналы кабелей, которые по своей структуре (т.е. количеству и типу цепей) соответствуют структуре каналов соединяемых приборов, в месте электрической стыковки их интерфейсов, на которые выведены данные каналы. Если канал кабеля через связанные с ним интерфейсы не соединяется с соответствующими каналами ССТИ, а соединяется с каналом другого кабеля, то возможна трансформация его структуры, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения количества цепей. Сущность «Канал кабеля» - cti е CTrask = {(ctSign, ctCab, ctPar, ctChl, ctCh2)}. Информацинные связи для данных сущностей приведены на рис. 4.

Рис . 4 . Фрагмент информационной модели, описывающий объекты бортовой кабельной сети

Рассмотренная структура полностью описывает ССТИ на уровне детализации необходимом для создания методов синтеза опримальных структур ССТИ. Для разработки методов синтеза необходимо сформировать функциональную модель создаваемой САПР ССТи.

Функциональная модель системы синтеза ССТИ. Для функционального моделирования применяются средства диаграмм потоков данных DFD, представляющие собой методологию структурного анализа, описывающую внешние по отношению к системе источники и адресаты данных, логические функции, потоки данных и хранилища данных, к которым осуществляется доступ. Диаграммы потоков данных представляют собой иерархию функциональных процессов, связанных потоками данных, с целью демонстрации преобразования каждым процессом своих входных данных в выходные, а также выявления отношений между этими процессами [5]. На рис. 5а и 5б представлены два фрагмента одной DFD-диаграммы, являющейся декомпази-цией контекстной диаграммы и определяющей основную логику функционирования системы синтеза общей схемы соединений ССТИ, при этом номера в круге, имеющие одинаковое значение для обоих фрагментов, означают единую связь между между ними.

Последовательность приборов для преобразования параметров

Цепи каналов, выходящие на интер фейсыприборов

D3

Элементы в узлах зон

D4

Трассы

Цепи каналов, выходящие на промежуточные соединители

Цепи каналов, выходящие на платы

Маркировать кабельные интерфейсы и цепи каналов, выходящие на них

Каналы приборов для преобразования параметров

D18

D6

Трассы для прокладки каналов параметров

Внутриприб орные канальные связи

Определить, оптимальные трассы для прокладки цепей каналов параметров

Цепи каналов, выходящие на кабельные интерфейсы

Сформировать группы, связанных между собой интерфейсов

D12

Промежуточные соединители плат

Группы связанных интерфейсов

Рис . 5а . Первый фрагмент DFD-диаграммы формирования структуры схемы общей соединений ССТИ

В данной диаграмме логическая функция «1» используя данные из хранилищ D1 = {(p, {sd}) | p e Par, sd e SDev}, D2 = {(sd, {(sin, {(st, {ch})})}) | sd e SDev, sin e Sinter, st e STrack, ch e Chain}, D3 = {(n, {el}) | n e Node, el e Elem, Elem = Board и SDev}, D4 = {r | re Road}, D5 = {(p, {st}) | p e Par, st e STrack}, определяет оптимальный путь для прокладки цепей канала каждого параметра и заносит его в хранилище данных D6 = {(p, {(st, {r})}) | p e Par, st e STrack, r e Road}. В результате работы данной функции так же определяются цепи каналов ССТИ которые по оптимальному маршруту проводятся через конструктивные платы. Эти данные записываются в хранилище D7 = {(b, {(st, {ch})}) | b e Board, st e Track, ch e Chain}.

Условия

Провода, используемые для прокладки цепей каналов

Электриче с кие нагрузки цепей каналов

эксплуатации в

Пр опускная способность соединителей

Пр омежуточные с о едини тели кабелей

Выбр ать пр омежуточные соединители

Рис . 5б . Второй фрагмент DFD-диаграммы формирования структуры схемы общей соединений ССТИ

Распределить цепи каналов по соединителям на

Определить соединители, разрешенные для прокладки цепей каналов

Соединители, разрешенные для прокладки цепей

Разбить группы, связанных между собой интер ф ейс ов, на каб ели интерфейсов каб елей

Функция «2», исходя из типа цепей каналов, проходящих через платы D7, а так же учитывая перечень соединителей, разрешенных к применению D8 = { с | с e Con }, электрические нагрузки данных цепей D9 = {( st , {( ch , l )}) | st e Track , ch e Chain , l e Load }, условия эксплуатации в зоне размещения платы D10 = {( z , e ) | z e Zone , e e Envir }, формирует перечень соединителей, которые можно задействовать на платах для кабельных интерфейсов. Таким образом, для каждой цепи функция формирует множество подходящих для их прокладки соединителей chCon c Con , которое является сужением на множестве Con . Выходные данные функции хранятся в D11 = {( b , {( ch , { c })}) | D e D7, b = пр i D , ch e пр ₂ пр ₂ D , c e Con }.

Далее логическая функция «3» из данных D11 выбирает унифицированный ряд соединителей, удовлетворяющих конструктивным требованиям и имеющих суммарно минимальную и достаточную пропускную способность для цепей, проходящих через платы D7 и промежуточные соединители бортовой кабельной сети (БКС) D17 (на первой итерации отсутствуют). Множество chCon сужается до множества bCon c chCon и дополняет хранилище D12 = {( b , { c }) | b e Board , c e bCon }.

Функция «4» распределяет цепи каналов параметров выходящих на платы D7 между соединителями, хранящимися в D12 с учетом проводов, используемых для прокладки цепей D14 (на первой итерации отсутствуют), и данных об имеющихся пропускных способностях промежуточных соединителей, хранящиеся в D16 (на начальном этапе соединители не заняты), в результате чего на выходе формируется множество, записываемое в хранилище D15 = {(b, {(c, {tch})}) | D e D7, b = прiD, c e bCon, tch e пр 2 D }.

Для гермоплат и плат, связывающих изделие с внешними системами («земля-борт»), соединители известны до начала проектирования ССТИ и хранятся в хранилище D12. По результатам распределения цепей по соединителям на платах, в хранилище D16 заносятся (уточняются) значения суммарной остаточной впаиваемости свободных в соединителях контактов D16 = {( c , Rc )}, где Rc - действительное число, равное значению впаиваемости. В случае отрицательного значения пропускной способности соединителей D16 функция «3» производит повторный выбор промежуточных соединителей с последующим перераспределением цепей по ним с помощью функции «4».

Функция «5» производит определение ответных частей БКС для интерфейсов приборов, заложенных в D2, и совместно с соединителями, хранящимися в D15, производит их маркировку индивидуальными схемными обозначениями. На выходе функции «5» генерируются множества, записываемые в хранилище данных D17 = {( с , name , { ch }) | с e CInt , CInt = SInt и RInt и пр । пр ₂D15, SInt = и cTypeRt ( sin ), i e {1,..., | Sinter | , RInt = и cTypeRt ( in ), j e {1,..., |пр 1 пр ₂D15 | }, ch = и tChain ( stTrack ( st k )), k e {1,..., | STrack | }}, где name - индивидуальная маркировка кабельного интерфейса. Данные D17 поступают в функцию «2», где происходит подбор соединителей, пригодных для прокладки цепей через кабельные интерфейсы, т.е. в множество D11 добавляются соединители разрешенные для использования в качестве промежуточных соединителей БКС на любом участке трасс. Функция "3" выбирает соединители для интерфейсов БКС, т.е. сужает множество chCon до множества cbCon с chCon , и заносит их в хранилище D13 = {( cin , c ) | cin e CInter , c e cbCon }.

Функция «6» используя значения данных из хранилища D17 и данные D18, описывающие внутриприборные связи между каналами, формирует на выходе группы связанных между собой кабельных интерфейсов, которые заносятся в хранилище D19 = {( cb , { cin }) | cb e Cab , cin e CInter }.По сути группы кабельных интерфейсов, хранящихся в D19 представляют собой структуру кабелей, имеющую в своем составе N соединителей. Однако конструктивные и технологические требования задают ограничения по количеству соединителей Z , входящих в кабель.

Функция «7», исходя из этих ограничений и используя данные D17, разбивает группы D19, превышающие значения соединителей N > Z, на группу кабелей, имеющих в своем составе N < Z. При этом вводятся дополнительные промежуточные соединители из числа соединителей D13 и их количество F зависит от количества соединителей N в исходной группе и определяется по формуле:

F = 2 ⋅

N + 2 ⋅ N / Z - 1 Z

Выходные данные функции дополняют хранилище D15 с их последующей маркировкой в функции «5», после чего функция «6» проводит повторное формирование групп связанных между собой кабельных интерфейсов с их последующей записью в хранилище D19. В случае если в группах связанных кабельных интерфейсов не превышается заданное значение Z количества соединителей, то функция «7» формирует структуру кабелей, которая заносится в D20 = {( cb , {( ch , { cin })}) | cb e Cab , ch e Chain , cin e CInter }. Фунция «7» так же формирует связи между интерфейсами кабелей которые записываются в хранилище D21 = {( cb , cin , cb , cin )}) | cin e CInter , c e cbCon }. Фактически в D21 хранится описание БКС которая представляет собой совокупность кабелей связанных между собой через электрические интерфейсы.

Выводы: в статье приведены результаты структурного анализа ССТИ. Выделены основные объекты, которые используются в процессе синтеза структуры ССТИ. Рассмотрены свойства данных объектов, а также информационные связи между ними в объеме информационной модели ССТИ. Сформирована функциональная модель системы автоматизированного проектирования ССТИ с описанием логических функций. Рассмотрены структуры данных, которые используются в данной системе, а так же их хранилища. Построенные модели позволяют перейти к этапу разработки методов структурного синтеза схемы электрической соединений ССТИ.