CC BY
40
Список лггератури: 1. БерлянтА.М., КошкаревА.В., ТикуновВ.С. Картография и геоинформатика.: ВИНИТИ, 1991. 2. ЧабанюкВ.С. Основш напрямки розвитку геошформацшних систем у 90-i роки // Вюник геодези та картографи. 1994. N° 2. С. 118-135. 3. John E. Harmon, Steven J. Anderson. The design and implementation of geographic information systems.: John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2003. 4. Вальчук О. Б. 1нтелектуальна Г1С м. Коломш // Вюник НУ '^bBiBCbra полггехшка". 2005. №62. 5. Кравець Р.Б. Оргашзащя багатовишрного подання та аналiзу шформацп у реляцiйнiй базi даних // Вiсник НУ '^bBiBCbra полiтехнiка". 2003. № 489.
НадШшла до редколегИ 17.03.2006
Kicb Ярослав Петрович, канд. техн. наук, доцент НУ '^bBiBCbra полггехшка", кафедра "1нформацшш системи та мережТ'. Науковi уподобання: методи системного та структурного аналзу, методи та засоби побудови автоматизованих систем, логiстика еколого-еконо-мiчних систем. Адреса: Украна, 79000, Львiв, вул. Ст. Бандери, 12, тел. 39-825-38. Шаховська Наталiя Богдашвна, астрантка НУ "Львшська полiтехнiка", кафедра "1нфор-мацiйнi системи та мереж1". Науковi уподобання: сховища даних, побудованих на основi релящйно! моделi, алгоритми видобування даних, моделювання невизначеностей. Адреса: Украна , 79000, Львш, вул. Ст. Бандери, 12, тел. 39-825-38.
Вальчук Олесь, астрант НУ "Львiвська полггехшка", кафедра "Iнформацiйнi системи та мереж1". Науковi уподобання: системи подання та обробки картографiчноl шформацп. Адреса: Украша , 79000, Львiв, вул. Ст. Бандери, 12, тел. 39-825-38.
УДК 004.415.2
В.М.ТЕСЛЮК
МЕТОДИ ПРОЕКТУВАННЯ М1КРОЕЛЕКТРОМЕХАН1ЧНИХ СИСТЕМ
Розглядаються особливосл проектування i структури мiкроелектромеханiчних систем (МЕМС) та пропонусться ввести алгоритмiчний аспект. Пропонуеться також використову-вати висх1дне, низхвдне та паралельне проектування МЕМС i методи проектування на кожному з iерархiчних рiвнiв.
Актуальм1сть
Двадцять перше стор1ччя характеризуеться швидкими темпами розвитку ново! м1ждис-циплшарно! обласп, яка об'еднуе в соб1 досягнення мехашки, мшроелектрошки, оптики, електротехшки та шших науково-практичних напрямюв i називаеться вона - мшроелектро-мехашчш системи (МЕМС) [1-7]. 1нтегральш пристро! даного типу мають ряд переваг у пор1внянт з1 стандартними пристроями: вони надшшш1, дешевш1, легш1, штегращя наукових областей носить сенергетичний характер, виготовляють !х за груповою технолопею та шш1. Нова науково-прикладна область обумовлюе адаптащю юнуючих шдход1в до проектування або розробку нових. Оскшьки дана робота присвячена саме виршенню цього питання, то вона е актуальною.
1. Особливост структур МЕМС
Базова структура МЕМС наведена на рис. 1. Вона визначае вхщний перетворювач, мшропроцесор та вихщний перетворювач.
Г МЕМС "I
ВХщний перетворювач Вихщний перетворювач
Рис. 1. Базова структура МЕМС
Вхщний перетворювач призначений для визначення змш чи впливу оточуючого середо-вища. Як правило, до вхiдних перетворювачiв вiдносять мiкросенсори. TaKi пристро! пере-творюють, для прикладу, змiну тиску, напруження чи деформацп в 3mí^ електричного параметра, який можна обробити з допомогою мiкропроцесорa. В багатьох мшропроцесо-рах, як вихiдний електричний параметр, може виступати опiр, емшсть, частота, напруга, струм тощо. Оскшьки, безпосередньо, аналогову величину напруги чи струму мшропроце-сор обробляти не може, то шсля мiкросенсорa поставлено аналогово-цифровий перетворювач (АЦП), з якого вже цифровий сигнал поступае на шину даних мшропроцесора. Мшроп-роцесор обробляе отримaнi дaнi зпдно з попередньо визначеним алгоритмом i результат обробки, у формi цифрового сигналу, видае на цифрово-аналоговий перетворювач (ЦАП). ЦАП перетворюе отриманий код в аналоговий сигнал, який безпосередньо подаеться на вихщний перетворювач. Вихiдним перетворювачем виступають актюатори - це мшроприс-тро!, якi перетворюють, як правило, електричну енергiю в керований рух.
Разом з тим, можлива i структура, яка наведена на рис.2. Ii особливютю е те, що вона обробляе лише аналоговий сигнал. Вона включае, вщповщно, мiкросенсор, схему керування та обробки сигналу i мшроактюатор. Принцип ди тако! МЕМС аналопчний до попередньо!. 2. Застосування блочно-ieрархiчного пiдходу до проектування мжроелектромехашчних систем
Спрощено при проектувaннi мшроелектромехашчних систем використовуеться багато-рiвневе проектування. Оскшьки проектування МЕМС тюно пов'язано з технолопею 1'х виготовлення, то найнижчим рiвнем е технологiчний (технолопчне проектування), де проек-туеться технолопя виготовлення МЕМС. Враховуючи те, що МЕМС технологи, в основному, базуються на технолопях виготовлення 1С та мшромехашчних пристро1'в, то, як правило, технолопя е вже вщлагодженою (використовуеться базовий технолопчний процес) i необхiдно лише внести незначш корективи. 1сторично склалося так, що в найбшьших центрах проектування та виготовлення МЕМС використовують дещо iншi технологи. Технологи, якi використовують в США, базуються на технолопях виготовлення 1С, а технологи, як використовуються в Сврош та Япони - на технолопях виготовлення мшромехашчних пристро1'в (LIGA, SIGA та ш.)[8,9].
Рис. 2. Структура МЕМС для обробки аналогового сигналу Наступш (залежно вщ деталiзащl та складностi об'екта проектування 1х кiлькiсть може бути бшьшою) рiвнi вiдносять до конструкторського проектування (рис.3).
Щд час проектування МЕМС, в бшьшост випадкiв, використовують класичне низхiдне багаторiвневе проектування [10-12] "зверху - вниз", та висхщне - "знизу - вверх". Для прикладу, проектування "зверху - вниз" передбачае, що проектування МЕМС розбивасться на розв'язання окремих пiдзадач, а саме: проектування функщонально довершених модулiв МЕМС (мiкросенсорiв, мiкропроцесорного модуля, виконуючих пристро1в тощо). Подальша декомпозицiя проектування передбачае розбиття задач проектування мiкросенсорiв та мiкроактюаторiв на задачi проектування елемеив. Це е задачi, пов'язаш з проектуванням статора чи ротора мшродвигуна, пружини чи джерела живлення електростатичного мшро-актюатора. Наступний крок декомпозици передбачае розбиття задач проектування компо-нентiв МЕМС на задачi проектування елементiв iнтегральних пристро1в. Тому структурна схема проектування МЕМС, яка показана на рис. 3, визначае чотири рiвнi проектування.
Перший рiвень називаеться системним, який призначений для розробки технiчного завдан-ня на МЕМС, другий - структурно-функщональним, третiй - компонентний рiвень проекту-вання МЕМС, а четвертий - елементний.
Рис. 3. Р1вт проектування МЕМС "зверху-вниз"
Цей пiдхiд до проектування МЕМС мае низку переваг, а саме: з простшими об'ектами проектування зручшше працювати, побудувати математичну модель даного об'екта, провести моделювання його роботи, виконати верифшащю та тестування результат проектування тощо.
Методи висхщного проектування (рис.4) використовуються в тому випадку, коли необхщно спроектувати подiбний iнтегральний пристрiй МЕМС i деякi складовi цього виробу частково чи повнютю вже е спроектоваш.
Цей вид проектування МЕМС з кожним роком все частше використовуеться, оскiльки бiблiотека розроблених елементiв з часом зростае.
Разом з тим, проектування ряду елеменпв мшрелектромехашчно! системи доцiльно проводити паралельно (рис.5), що дозволить значно прискорити на певних етапах процес проектування. Для прикладу, проектування мiкросенсорiв, мiкроактюаторiв та системи керування можна проводити паралельно.
Отже, при проектуванш електромеханiчних iнтегральних систем використовуються класичш методи низхiдного та висхщного проектування i особливу увагу слщ придiлити паралельному проектуванню, що обумовлено особливостями мiждисциплiнарних мiкросистем. 84
Рис. 4. Рiвm висхвдного проектування МЕМС
га— И
Е- ■ нё!
Електростатичний м1кродвигун
\_г
/ У-
Смшсний акселерометр
Рис. 5. Паралельне проектування елементiв МЕМС
3. Аспекти проектування
Як було зазначено вище, проектування МЕМС базуеться на технолопях проектування 1С, яю включали три аспекти проектування: функщонально-лопчний, конструкторський та технологiчний.
Особливiстю проектування МЕМС, особливо автономних, е те, що вони функщонують за наперед визначеними алгоритмами, яю визначають роботу пристрою на основi вхiдних даних.
Розробка алгорштшв займае значний об'ем проектувальних робгт при розробцi МЕМС. Тому, на вщмшу вiд проектування 1С, необхщно ввести четвертий аспект, а саме: алгорит-мiчний, який мае бути врахований на кожному з еташв багаторiвневого iерархiчного проектування. Введення даного аспекту дозволить пiдвищити яюсть та ефективнiсть проекту-вання МЕМС.
4. Особливост проектування МЕМС на кожному з ieрархiчних р1вн1в
Проектування МЕМС мае свою специфшу та особливостi на вiдмiну вiд макропристро1в на iерархiчних рiвнях. Структурна схема проектування мшроелектромехашчно! системи наведена на рис.6. Проектування будь-якого об'екта передбачае на першому еташ науко-во- дослiднi роботи, яю дозволяють сформулювати технiчне завдання (ТЗ) на мшроелект-ромеханiчний пристрш (МЕМП). Згiдно з сформульованим ТЗ виконуеться операцiя синтезу конструкци iнтегрального МЕМП. В данiй робот запропоновано використовувати бiблiо-теку елеменпв, компонент та пристро1в МЕМС (БЕКП МЕМС) i модуль технологи виго-товлення iнтегральних пристро1в. БЕКП МЕМС дозволить на базi стандартних конструкцш елементiв, компонент та пристро1в синтезувати конструкщю МЕМС, а, при розробщ нових конструкцiй пристро1в МЕМС скористатись вже накопиченим досвщом в област розробки пристро1в даного класу.
Модуль технологи призначений для дослщження можливост виготовлення даного штег-рального пристрою iз допомогою вiдомих стандартних штегральних технологiй [12].
Оскiльки проектуемо електромехашчний iнтегральний пристрiй, то його вхщними та вихiдними параметрами е як електричш (емнiсть, напруга та ш.), так i механiчнi (товщина балки, жорстюсть пружини тощо). Для аналiзу синтезовано! конструкци окремо проводиться аналiз мехашчно! та електрично! складових з використанням бiблiотеки математичних моделей. Вщповщш операци е циклiчними, а вихщ з циклу виконуеться тод^ коли задоволь-
няються згщно з ТЗ вихiднi мехашчш параметри або електричнi параметри проектованого штегрального пристрою.
Наступний крок передбачае комплексний аналiз роботи електромеханiчного штегрального пристрою. У випадку забезпечення параме^в ТЗ - процес проектування завершуеть-ся. В разi невиконання параметрiв ТЗ - виконуеться операщя параметричного чи структурного синтезу з використанням системи оптимiзащ!, а в окремих випадках може виникнути потреба в операцп коректування техшчного завдання.
Як було зазначено вище, МЕМС пристро! можуть бути побудоваш на основi рiзних фiзичних принцишв дп. Так, якщо необхiдно виконати проектування електротермiчного мiкропристрою, то на рис.6 необхщно замiнити блок аналiзу мехашчно! складово! на блок термiчного аналiзу. Зокрема, вiдповiдний блок наведений на рис.7.
Бiблiотека ММ
Рис. 7. Блок для анал1зу терм1чно! складово! Можлива й iнша ситуащя, коли до стандартно! схеми на рис.6 необхщно паралельно додати ще один блок.
Вiдповiдна ситуащя може вщбутися при проектуваннi гщроелектромехашчних пристро!в. Приклад блоку для гiдравлiчного аналiзу наведений на рис. 8.
Бiблiотека ММ
Рис. 8. Блок для анал1зу пдравл1чно! складово! штегрального пристрою Аналопчш блоки використовуються при аналiзi оптично!, магнiтно!, акустично! та меха-нiчно! обертово! складових.
Разом з тим, не завжди дощльно використовувати паралельний аналiз складових штегрального пристрою, хоча такий пщхщ дозволяе значно прискорити процес проектування виробу. Це пояснюеться тим, що отриманi рiшення досить важко поеднати в одному пристро!, або часом вони е взаемозаперечувальними на еташ комплексного анатзу роботи виробу. Тому використовують послщовний аналiз складових штегрального пристрою. Приклад вщповщно! схеми для штегрально! електромехашчно! системи наведено на рис.9.
Основна щея даного тдходу полягае в тому, щоб результати електричного аналiзу були враховаш на етапi аналiзу мехашчно! складово! при проходженш першо! ггераци. У випадку, коли необхщно провести аналiз по трьох складових (рис.10), використовуеться нас^зне проектування. Основна iдея його полягае в тому, що результати тсля аналiзу першо! складово! передаються паралельно на вхiд друго! та третьо! складових.
Рис. 9. Структурна схема з послвдовним анатзом складових штегрального пристрою
Висновки
1. Проведено анал1з особливостей проектування МЕМС та запропоновано використову-вати блочно4ерарх1чний шдхщ, зокрема: низхщне, висхщне та паралельне проектування. При проектуванш пропонуеться додатково використати алгорштшчний аспект окр1м функ-цюнально-лопчного, конструкторського та технолопчного на кожному з 1ерарх1чних р1вшв, що обумовлено значним використанням програмних засоб1в i дозволить значно покращити яюсть та швидюсть проектування МЕМС.
2. Запропоновано методи оргашзаци проектних операцш та процедур на кожному з 1ерарх1чних р1вшв, яю дозволяють врахувати мультидисциплшаршсть МЕМС та шдвищити ефектившсть проектування пристро!в даного класу.
Рис. 10. Трикомпонентний наскр1зний анал1з
Список лiтератури: I.GuptaR.K., Zorian Y. Introducing in Core-Based System Design //Design & Test of Computer, Oct/Dec, 1997. 2. Биосенсоры // Итоги науки и техники. Сер. Биотехнология. М.: ВИНИТИ, 1990. Т. 26. 3. Krishnamoorthy U., Solgaard O. Self-Aligned Vertical Comb-drive Actuators for Optical Scanning Micromirrors. 2000 IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMS, Okinawa, Japan, Sep. 2001. 4. Krishnamoorthy, U., Li, K.., Yu, K., Lee, D., Heritage, J.P and Solgaard, O. Dual-Mode micromirrors for Optical Phased Array Applications, Transducers'01, Munich, Germany, June 2001. 5. Torsten Gerlach, Helmut Wurmus. Working principleand performance of the dynamic micropump // Sensors and Actuators A50, 1995. Р.135-140. 6. Тернер Э., КарубеИ. Биосенсоры: основы и приложения. М.: Мир, 1992. 770 с. 7. Fatikow, S andRembold, U, (1997). Microsystems Technology and Microrobotics, Springer, New York. 8. Rai-choudhury P. (1997). Handbook of microlithography, micromachining and microfabrication, SPIE Optical Engineering Press. 9. Петренко А. И., Семенков А. И. Основы построения систем автоматизированого проектирования. К.: Вища школа, 1984. 296 с. 10. Петренко А. И. Основы автоматизации проектирования. К.: Техшка, 1982. 295 с. 11. КовальВ.О., ЛобурМ. В. Автоматизация технологического моделирова-
ния полупроводниковых ИС. Учебное пособие, Львов, ЛПИ, 1987. 84 с. 12. Зи С. Технология СБИС. М., 1986. 1, 2 т.
Надшшла до редколегИ 14.03.2006 Теслюк Василь Миколайович, канд. техн. наук, доцент кафедри САПР НУ'ЛП". Науковi штереси: розробка засобiв САПР для проектування м^оелектронних пристро!в, матема-тичне моделювання. Адреса:Украша, 79044, Львiв, вул.Акад.Сахарова,27, кв.508, тел. 8-06793-24-006.
УДК 519.863.001.63
В.Е. СНИТЮК, А.А. БЫЧЕНКО
АСПЕКТЫ НЕЧЕТКОСТИ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОЖАРА НА ОСОБО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ
Рассматривается проблема моделирования скорости распространения пожара и определения его периметра для особо опасных объектов. В качестве инструментария ее решения предлагается использовать нечеткие базы знаний и соответствующие методы. Определяются аспекты создания технологии автоматизированной обработки данных и прогнозирования, результатом реализации которой является геоинформационная система.
1. Состояние проблемы и постановка задачи
Моделирование процессов распространения пожаров с течением времени приобретает все большее значение. Такой вывод базируется на данных статистики: количество пожаров имеет небольшую тенденцию к уменьшению, вместе с тем, наблюдается устойчивый рост количества жертв и размера материального ущерба. Ситуация усложняется с увеличением производства горюче-смазочных материалов, продукции химической промышленности, атомной и других видов энергии. Соответствующие предприятия относят к особо опасным объектам. Пожары на них могут приводить к катастрофическим последствиям.
Критические условия развития и распространения пожаров не позволяют применить адекватные меры и средства пожаротушения, что подчеркивает определяющую роль фактора субъективности при принятии решений. Успешная борьба с пожарами возможна при условии умения прогнозирования процессов их поведения. В большинстве случаев такое прогнозирование является лишь результатом опыта и интуиции руководителя тушения пожара, других специалистов и, зачастую, приводит к ошибкам.
Применение математического моделирования на базе современной вычислительной техники могло бы позволить быстро и достаточно точно прогнозировать распространение пожаров с учетом конкретных условий. В этом направлении получены определенные научные результаты, но ориентированные на тушение лесных пожаров и пожаров в типовых помещениях. Так, в работе [1] выполнен анализ моделей и методов моделирования лесных пожаров, а в [2] описан программный комплекс, функционирующий на их базе. В Институте автоматики и электромеханики Сибирского отделения РАН разработан метод прогнозирования развития динамических процессов на поверхности Земли на основе нейросетевой обработки последовательности многоспектральных аэрокосмических изображений. Метод обладает адаптивностью, но, к сожалению, применим только для моделирования пожаров в окружающей среде. В книге [3] изложены результаты исследований динамики пожара в помещениях различного назначения. Они анализируются применительно к возможностям практического использования в системе гибкого нормирования при проектировании. Предложенная методика не учитывает взаиморасположения помещений различного назначения и поэтому является локальной и малоприменимой для особо опасных объектов.
В последние годы за рубежом при определении соответствия зданий и сооружений противопожарным требованиям используется подход на основе объектно-ориентированного нормирования, который предусматривает количественное определение пожарной опасности зданий и сооружений и ее сравнение с величинами, выбранными в качестве критериев. Аналогичный подход предложен для жилых объектов в работе [4] c учетом внешних и внутренних параметров. Очевидно, что результаты применения методов количественной
