В процессе разработки аппаратуры постановка задачи по исследованию операции прогнозирования долговечности преследует экономические цели. Она связана с предсказанием ожидаемого экономического эффекта от внедрения аппаратуры и оценкой ожидаемых затрат на ее обслуживание, настройку, ремонт и т. д.
Оптимальным принято считать такой срок службы, при котором суммарные затраты, отнесенные к времени эксплуатации аппаратуры, минимальны [6].
Суммарные затраты являются функцией времени, так как затраты на обслуживание и ремонт зависят от времени эксплуатации S =S(t), тогда относительные затраты будут равны S*(t)=S(t)/t.
Следовательно, целевой функцией операции является
Если известна функция S*(t), то, взяв производную по времени и приравняв ее нулю, получим оптимальный срок службы по условиям материального износа.
Пример. Разрабатывается вычислительная система, стоимость которой С1 стоимость эксплуатации С2 = At, где А — коэффициент удельных затрат из расчета на один год. Стоимость профилактического ремонта С3 = Вt2.
Требуется выяснить оптимальный срок службы проектируемой ЭВМ. Коэффициенты А и В известны, они определяются нормативом отрасли, стоимость ЭВМ также известна.
Определим суммарные затраты S(t) = С1 + At + Вt2.
Следовательно, относительные затраты S* (t) = C1/t + А + Bt Определим максимальный срок службы, для чего вычисляем производную по времени от S*(t) и приравниваем ее нулю:
откуда topt = √C1/B.
Если С1 = 100 тыс. р., В = 10 тыс. р./год, то topt =3,162 г.
Рассмотренная задача оптимизации долговечности аппаратуры имеет экономическое значение, связанное с заказами на изготовление аппаратуры и с организацией служб монтажа и наладки аппаратуры.
Кроме материального износа имеет место моральный износ машин, который обусловлен развитием более совершенной технологии, производством более дешевой и производительной аппаратуры.
По определению К. Маркса «...Кроме материального снашивания машина подвергается, так сказать, и моральному снашиванию. Она утрачивает меновую стоимость, по мере того, как машины такой же конструкции начинают воспроизводиться дешевле, или лучшие машины вступают в конкуренцию с ней».
В [данном случае К. Маркс различает две формы морального старения. Одна форма связана с выпуском более дешевых машин, а вторая — с выпуском более производительных машин.
Прогнозирование долговечности аппаратуры с учетом факторов морального старения целесообразно рассмотреть па примере одновременной эксплуатации стареющей и повой аппаратуры, например двух ЭВМ, имеющихся на вычислительном центре. В качестве критерия оценки долговечности аппаратуры принимается рентабельность, которая представляет собой отношение полученной прибыли к отпущенным фондам.
Прибыль образуется как разность цены вычислительной продукции и издержек, связанных с обслуживанием ЭВМ. Оптимальным сроком службы стареющей ЭВМ называют такой срок службы, при котором одновременная эксплуатация двух машин, стареющей и новой, дает максимальную рентабельность. Таким образом, в качестве целевой функции выбирается рентабельность K = R(П, Ф, t)→mах, где R — рентабельность; П — прибыль; Ф — фонды.
В момент достижения целевой функцией максимального значения стареющую машину следует снять с эксплуатации и включить новую.
Глава 3
АНАЛИТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОПЕРАЦИЙ СИНТЕЗА И ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ
3.1. Постановка задачи синтеза
Исследование операций при синтезе и оптимизации конструкций имеет единую целевую функцию, заключающуюся в отыскании оптимальных решений конструкторской задачи. Процесс решения содержит все основные этапы исследования операций: постановку задачи, отыскание подходящих математических моделей, их- решение и проверку результатов операции.
Наиболее сложным на этапе постановки задачи является синтез, который представляет собой совокупность определенных правил или приемов (большей частью не формализованных), направленных на создание «образа" будущей конструкции. Системный, с высоким уровнем абстракции, современный синтез опирается на опыт разработчика и четкое понимание перспективы развития аппаратуры.
Синтез конструкций электронной аппаратуры, обладающей заданным качеством, в настоящее время не для всех уровней конструктивной структуры формализован, а следовательно, не разработаны его математические методы. Такое состояние вопроса объясняется нерешенностью ряда сложных проблем, в частности, касающихся формирования математических моделей сложных объектов и процессов, которые учитывают все многообразие связей, придающих объекту форму и содержание и устойчиво удерживающих его функциональное назначение при наличии внешних и внутренних воздействий.
Кроме того, существует ряд проблем из-за ограниченных возможностей решения многокритериальных задач с учетом многообразия факторов, включая случайные. Поэтому синтез конструктивных модулей высших уровней (4 и 5) конструктивной структуры в настоящее время осуществляется эвристическими методами с частичным привлечением математических методов на базе использования ЭВМ. Что касается нижних и средних уровней (1, 2 и 3) конструктивной структуры, то здесь в последние годы сделаны значительные успехи, математические методы синтеза заняли доминирующее положение.
Процессу внедрения математических методов в значительной мере способствовали достижения вычислительной техники, особенно систем автоматизации проектирования. Однако огромные возможности современных ЭВМ не используются на полную мощность из-за отсутствия эффективных методов, а следовательно, и алгоритмов выбора оптимальных форм, габаритных размеров, взаимосвязей и других элементов и компонентов конструкции.
Синтезом конструкций в узком смысле будем называть процесс формирования образа конструкции в соответствии с техническим заданием и его воплощение в конструкторской документации, достаточно полно отражающей его основные параметры. Следует отметить, что конструктор в процессе работы располагает определенной информацией в своей области деятельности, поэтому создаваемому им образу конструкции всегда предшествует некоторый «прообраз», который, несомненно, облегчает задачу синтеза.
В технической литературе часто отождествляют синтез и оптимизацию [5, 15], видимо, потому, что они тесно связаны и, когда мы говорим о синтезе, т. е. о процессе создания конструкции, мы всегда подразумеваем,ее оптимизацию. Однако при более строгом подходе можно заметить, что синтез предшествует оптимизации, так как вначале формируется некоторая модель конструкции пли делаются ее наметки, а затем производится оптимизация.
В тех задачах, где уровень формализации высок и математические методы воплощены в конкретные алгоритмы и программы, «первоначальный образ» конструкции как бы «зашит» в программу решаемой задачи. В таких случаях, очевидно, можно отождествлять синтез и оптимизацию, рассматривая их совместно.
В настоящее время математические методы синтеза, как правило, разработаны применительно к обеспечению одного основного показателя, т. е. современный синтез является скалярным, хотя векторный синтез предпочтительнее как обеспечивающий некоторую совокупность показателей. Такое состояние вопроса можно объяснить тем, что векторный синтез даже для модулей нижних уровней конструктивной структуры разработан слабо в силу разной размерности показателей, наличия конфликтующих групп показателей качества и огромного набора ограничений.
Считается [5], что векторный синтез целесообразен в тех задачах, где необходимо оценивать качество с нескольких точек зрения по отдельным показателям, а также там, где в динамике процессов участвуют несколько объектов, оцениваемых различными критериями.
Учитывая изложенное, можно заключить, что, исходя из сложившихся условий и возможностей решения многокритериальных задач, векторный синтез сводят к скалярному, т. е. к синтезу по одному показателю, переводя остальные показатели в разряд ограничений.
Современный синтез конструкций электронной аппаратуры является системным. Он включает разработку конструкции с учетом технологии изготовления объекта, условий его эксплуатации и требований на разработку, изложенных в техническом задании. Для успешного решения задач синтеза конструктору необходим исходный материал, который он черпает из схемотехнической документации, из технического задания, из справочной литературы, а также из собственного опыта и изучения сопоставимо подобных изделий.
Исходным документом, в котором изложены требования, предъявляемые к качеству проектируемого объекта, является техническое задание (ТЗ). В нем отражены условия эксплуатации объекта, совокупность свойств, определяющих его функциональное назначение, налагаемые ограничения и т. д.
Целевая функция разработки состоит в том, чтобы спроектированное изделие отвечало требованиям ТЗ. Обычно совокупность свойств изделия нацелена на получение от него максимальной эффективности. Такая постановка задачи подразумевает наличие глобального критерия, составными элементами которого являются отдельные показатели качества, связанные с ним или функционально или статистически. В свою очередь отдельные показатели связаны между собой, а их совокупность образует глобальный показатель, которым обычно является эффективность. Она характеризует отношение экономического выигрыша, получаемого от использования спроектированного объекта, к общим затратам на его разработку, изготовление и эксплуатацию.
Предположим, что глобальный показатель качества объекта К0 определяется совокупностью показателей Ki низшего уровня
В данном случае Ki представляют собой некоторые множества значений показателя качества i. Среди них есть те, которые содержат допустимые значения, т. е.
Следовательно, допустимое значение глобального показателя качества
Совокупность Kiд образует пространство допустимых решений, среди которых есть те, которые приводят /\од к оптимальному значению Корt = К (К1орt, К2орt,..., Kmорt).
В данном случае К1орt Kiд,..., Кiорt Kiд,..., Кmорt Kmд.
Основная задача синтеза —создание конструкции, обладающей необходимыми значениями показателей качества, которые в процессе оптимизации доводятся до Кiорt.
При синтезе конструкции разработчик обращается к сопоставимо подобным конструкциям, отыскивая среди них наиболее подходящий прототип. Затем полагают, что найденный прототип конструкции является ее нулевым приближением, обладающим некоторым значением глобального показателя качества, равным Kп.
Подобрать сопоставимо подобный объект с точно заданным показателем качества К0 практически невозможно, поэтому всегда имеется некоторое рассогласование ΔKп в значениях показателей качества, т. е. К0 = Кп + ΔKп.
Дальнейшее совершенствование объекта составляет задачу оптимизации, которая рассматривается в настоящей главе.
Заметим, что глобальный показатель качества К0, в свою очередь, состоит из некоторой «неизменной» части, т. е. некоторого номинального значения Кн, и изменяющейся части ΔK, обусловленной наличием воздействий и всевозможных возмущающих факторов. Запишем глобальный показатель в матричной форме [K0] = [Kн] + [ΔК].
Всесторонне учитывать различные факторы и принимать профилактические меры, уменьшающие их влияние, конструктор должен на ранних стадиях, например при синтезе конструктивной структуры, при разработке всех видов связей, существующих между модулями, при разработке защищенности конструкции от внешних и внутренних факторов и т. д.
Для компенсации влияния факторов необходимо иметь некоторые «запасы» качества. Конструкция отвечает требованиям ТЗ при наличии внешних и внутренних факторов в том случае, если их влияние компенсируется запасами показателей качества полностью, т. е.
(3.1)
где [] — область изменения показателей качества, обусловленная внешними факторами; []— область изменения показателей качества, обусловленная износом и старением; []—область изменения показателей качества, вызванная конструктивно-технологическим «вмешательством», направленным на повышение качества.
Первые два слагаемых формулы (3.1.) уменьшают качество, а третье слагаемое — компенсирует влияние первых двух.
Установим связь между показателями качества и действующими факторами. Предположим, что областям изменения показателей качества можно поставить в определенное соответствие области изменения воздействующих факторов или области изменения параметров конструкции
(3.2)
где [α], [γ], [β] — матрицы операторов соответствия; [Δх] — матрица-столбец внешних воздействий; [Δt] — матрица-столбец интервалов времени износа (работы) изделия; [ΔG] — матрица-столбец вариации конструктивно-технологических параметров.
В простейшем случае можно предположить, что операторы соответствия являются линейными.
Дня первого уравнения системы (3.2) при одном показателе качества и одном значении возмущающего фактора имеем ΔK1 = α11Δx1.
Если K1 является коэффициентом усиления, х1 —температурное воздействие, то α11 - коэффициент чувствительности, т.е. α11 = ∂К1/∂х1.
Если возмущающих факторов m, а показателей качества — n, то первое уравнение из (3.2) можно записать в виде
После матричного умножения получим
Две матрицы равны, если равны их соответствующие члены, следовательно
В полученных уравнениях первое слагаемое есть результат изменения первого показателя качества под влиянием первого возмущающего фактора Δх1 второе слагаемое — результат влияния второго возмущающего фактора и т. д.
Если i-й показатель качества не подвержен влиянию j-го возмущающего фактора, то αij = ∂Ki/∂xj = 0, тогда ΔKi = αijΔj = 0.
Таким образом, степень влияния на конструкцию различных факторов можно учесть в процессе разработки, если известны коэффициенты чувствительности αij. Эти коэффициенты принимаются равными тем, которыми обладает сопоставимо подобная конструкция. После разработки и изготовления опытного образца пли опытной серии нового изделия производится уточнение сделанного ранее допущения о значениях αij.
Перейдем к оценке второго уравнения (3.2.). Предположим, что выполнены преобразования, подобные предыдущим, тогда
Коэффициенты γij представляют собой коэффициенты чувствительности объекта по износу и старению. Если полагать их одинаковыми для различных отрезков эксплуатации Δti, то получим
ΔKi = Aitэ, где Ai = ∂Ki/∂t = const; tэ = ∑ Δti
Для изделий, эксплуатируемых непродолжительное время и имеющих малые значения Аi, можно считать, что ΔKi=0.
Перейдем к третьему уравнению (3.2). Раскрыв матрицы [ΔKβ], [β] и [ΔG], получим
(3.3)
Коэффициенты βij представляют собой отношения βiβ = ∂Ki/∂G
Из (3.3) следует, что, варьируя параметры конструкции (размер, способ крепления, форм и т. д.), можно достичь желаемого изменения качества...
Таким образом, нам удалось установить определенные связи между областями изменения Показателей качества и областями изменения воздействий. Следовательно, в процессе синтеза конструкции можно оценить с количественных позиций последствия вариации элементов конструкции и те изменения показателей качества, которые с ней связаны.
Описанная постановка задачи синтеза ограничивается рамками линейных зависимостей. Это ограничение справедливо при малых отклонениях ΔG, Δx. Аналогично предыдущему можно поступать и при больших ΔG и Δх, однако элементы матриц αij и βij не будут постоянными. Они превращаются в функции, аргументами которых являются сами отклонения Δх и ΔG. Таким образом, в процессе синтеза мы проанализировали техническое задание, оценили заданные показатели качества, выбрали прообраз конструкции, сравнили его показатели с заданными, нашли зависимость показателей качества от внешних воздействий и конструктивно-технологических решений. Дальнейшая деятельность конструктора связана с решением задачи оптимизации и с синтезом конструктивных модулей низших уровней.