CC BY
130
Постановка задачи разработки и предварительная архитектура отечественной САПР РЛС полного сквозного цикла
Коновальчик А.П., Конопелькин М.Ю., Плаксенко О.А., Щирый А.О.,
АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей» andreyschiriy@gmail. com
Аннотация
В докладе обозначена проблема отсутствия готовой отечественной САПР РЛС, обеспечивающей полный сквозной цикл проектирования радиолокационных систем их отдельных узлов; ставится задача разработки такой САПР силами АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей», его дочерних предприятий и компаний обладающих компетенциями в области проектирования РЛС, с использованием имеющегося у них задела. Представлена предварительная архитектура САПР РЛС. Рассмотрены существующие интеграционные платформы и дано обоснование разработки специализированной интеграционной платформы.
1 Введение
Концерну ВКО „Алмаз-Антей" при осуществлении комплексного проектирования сложных радиотехнических средств и систем, в частности радиолокационных комплексов, требуется решать задачи выбора и оптимизации проектных параметров радиолокационных устройств, в т. ч. антенных систем, приемо-передающих трактов радиолокационных систем (РЛС), алгоритмов и устройств цифрового формирования и обработки радиолокационных сигналов, а также радиолокационных систем в целом. В настоящий момент не существует отечественных систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих решать эти задачи в комплексе. Поэтому для решения подобных задач предприятиями Концерна используются ряд разрозненных программных решений собственной разработки и их зарубежных аналогов.
Ввиду ряда ограничений, вызванных санкциями, закрытой тематикой работ, а также в целях импортозамещения, весьма актуальным является создание САПР РЛС, позволяющей решать указанные выше задачи в непрерывном сквозном цикле проектирования.
2 Общая структура САПР РЛС
В основе общей структуры САПР РЛС лежит разделение системы на две части:
- автоматизированное рабочее место (АРМ) разработчика РЛС, "клиентская" часть, содержащая средства ввода и редактирования всех исходных данных, просмотра результатов вычислений, функционал управления вычислительными модулями; эта часть должна работать под ОС Windows (так как де-факто это наиболее распространенная система на рабочих местах), но ОС Linux желательна, хотя и не критична на первых этапах;
- вычислительные модули, условно говоря "серверная" часть, хотя в общем случае эти модули должны функционировать, как в гетерогенной распределенной вычислительной среде, так и в пределах одной-единственной ПЭВМ, однако требование обеспечения удаленного запуска в гетерогенной распределенной вычислительной среде приводит к требованию межплатформенной реализации, а конкретно и для ОС Linux, и для ОС Windows.
АРМ разработчика должен включать функционал ГИС с возможностью задания слоёв (карт) электромагнитных свойств местности и матриц высот.
Вычислительные модули должны содержать комплекс моделирования фоно-целевой обстановки и комплекс моделирования программно-алгоритмического обеспечения РЛС, включающие в себя блоки моделирования алгоритмов первичной, вторичной, третичной обработки информации в условиях различной фоноцелевой обстановки, моделирования сценариев воздушно-космической обстановки, моделирования атмосферы и метеоусловий, а также моделирования алгоритмов управления режимами работы РЛС. Кроме того, должна быть возможность легкой интеграции новых моделей и алгоритмов (особенно в части алгоритмов цифровой обработки сигналов и алгоритмов моделирования фоно-целевой обстановки, алгоритмов первичной, вторичной, третичной обработки радиолокационной информации), разработанных с учетом требований заданных программных интерфейсов.
Должна обеспечиваться возможность оптимизационного подбора параметров всех проектируемых подсистем.
Вся САПР в целом должна обеспечивать функционал сквозного имитационного моделирования всей системы, когда пошагово моделируется работа всей проектируемой РЛС одновременно.
Клиентская часть должна содержать также средства ввода данных (включая функционал экспорта данных и моделей из сторонних САПР и 3D редакторов), а вычислительная часть -
средства расчета для моделирования конструктивных элементов РЛС, включающая в себя блоки моделирования поворотных систем РЛС, систем электропитания, охлаждения, и т.п.
3 Выбор интеграционной платформы для САПР РЛС
3.1 Потребность в интеграционной платформе и требования к ней
Поскольку разработку САПР РЛС предлагается провести с использованием модулей САПР, разработанных предприятиями Концерна и другими российскими организациями, возникает техническая проблема интеграции всего указанного разнородного программного обеспечения в единый комплекс.
В идеале, средство интеграции должно обеспечить незаметное для пользователя взаимодействие между различными подсистемами САПР (разработанными на разных языках программирования), не накладывать требований на конечного пользователя в части знания программирования (так как наш конечный пользователь - это разработчик РЛС), а также выполнять функции диспетчера задач для вычислительного кластера (в случае его наличия).
Функции оптимизации и анализа статистики также могут входить в состав средства интеграции, но это требование, не оказывающее существенного влияния на выбор средства интеграции, так как указанные функции могут быть реализованы и внутри других соответствующих подсистем САПР РЛС.
Поэтому были проанализированы возможности существующих готовых программных продуктов - как чисто интеграционного назначения (интеграционных платформ), так и систем инженерных расчетов, обладающих возможностями интеграции со сторонним ПО. Было проанализировано несколько таких отечественных продуктов (SimlnTech, pSeven, «Гербарий», «Логос» и др.), ниже в докладе в качестве примера приведены детальные результаты рассмотрения SimlnTech и pSeven. Что касается упомянутых продуктов «Гербарий» и «Логос», кратко отметим следующее. Интегрированная инженерная программная платформа «Гербарий» представляет собой набор программных компонентов (модулей), предназначенных для разработки конечных приложений в области инженерного ПО (CAD/CAM/CAE); данный программный продукт имеет явную направленность на 3D моделирование объектов с построением расчетных сеток и по своему функционалу скорее напоминает такие продукты, как SolidWorks и Компас-3D. «Логос» позволяет моделировать процессы аэро-, гидро- и газодинамики, турбулентного перемешивания, распространения тепла в твёрдом теле, тепловой конвекции, переноса излучения, течения в пористой среде; несмотря на глубокую проработанность данного ПО, наличие удачного генератора сеток и возможности использования кластерных систем для решения вычислительно трудоемких задач проектирования, продукт имеет ярко выраженная направленность физического моделирования.
3.2 SimlnTech
Назначение — средство автоматизированного динамического расчета для детального исследования и анализа динамических процессов в любых технических системах, описание динамики которых может быть реализовано методами структурного моделирования (любых систем, уравнение динамики которых можно представить в виде входо-выходных соотношений).
Готовые реализации и примеры для моделирования РЛС и их составных частей (компоненты, готовые модели) отсутствуют.
Возможности создания собственных или интеграции сторонних модулей одним из способов:
1. Интеграция расчетного модуля созданного на языке высокого уровня:
- если код на Delphi (Object Pascal), то непосредственная интеграция (предоставлен шаблон на языке Delphi);
- если код на другом языке (например, Си), то используется компиляция данного кода в виде библиотеки *.dll.
2. Создание своей библиотеки Simlntech, содержащей компонент с уникальной моделью расчета, которая может описываться встроенным языком SimInTech, либо сборкой логической схемы из элементов, имеющихся в наличии в базе данных SimInTech.
3. Использование специального шаблона генерации кода Си для логической схемы, собранной согласно заданному алгоритму, с дальнейшей интеграцией.
Программные интерфейсы для связи со сторонними САПР на текущий момент отсутствуют (в разработке).
Имеется встроенный в среду собственный язык программирования.
Возможности многокритериальной оптимизации (проверка блока оптимизации не проводилась).
В наличии подробные пошаговые инструкции для создания, запуска, анализа многомодульного проекта с использованием готовых моделей из базы данных SimInTech.
Методы визуализации проводимых расчетов и анализа: представление расчетов и статистики в виде графиков, таблиц. Представление используемых моделей в виде блок-схем.
Возможность распределения расчетов на разных вычислительных узлах отсутствует.
Комплекс SimInTech реализован для работы под ОС Windows, возможность работы под ОС Linux отсутствует.
3.3 Datadvance pSeven
Назначение — межплатформенная среда для интеграции различных программных средств. В рамках единого интерфейса среда объединяет функции интеграционной платформы с возможностями алгоритмического ядра pSeven Core и программными средствами сбора и анализа данных.
Готовые реализации и примеры для моделирования РЛС и их составных частей (компоненты, готовые модели) отсутствуют.
Возможности создания собственных или интеграции сторонних модулей только путем вызова внешнего исполняемого файла.
Наличие некоторых готовых решений для связи со сторонними САПР (ANSYS, Matlab, Solidworks и др.), при этом отсутствует описание интерфейсов для связи со сторонними САПР, а часть программных интерфейсов требует доработки.
Наличие алгоритмов многокритериальной оптимизации.
Декларирована поддержка кластерных систем, систем пакетной обработки: SLURM, TORQUE, LSF.
Совместимость с операционными системами Windows и Linux.
3.4 Обоснование выбора специализированной интеграционной платформы
По итогам рассмотрения возможностей существующих средств интеграции можно сделать вывод, что ни одно из них полностью не соответствует всем требованиям, в том числе требованию незаметности интеграции для конечного пользователя.
Поэтому рассматривается вариант разработки специализированной интеграционной платформы, ориентированной на требования и структуру САПР РЛС.
Преимущества специализированной интеграционной платформы по сравнению с готовой универсальной:
- отсутствует необходимость настройки избыточных универсальных связей;
- меньшая вероятность ошибок в разработке ввиду четкой структуры;
- прозрачность интеграции с точки зрения конечного пользователя.
Важно также отметить, что по предварительным оценкам, трудоёмкость интеграции САПР РЛС средствами даже идеальной интеграционной платформы не существенно отличалась бы от трудоемкости разработки специализированной интеграционной платформы. С учетом же того, что в случае выбора существующей интеграционной платформы, очевидно потребовалась бы её доработка (во взаимодействии с её разработчиками), вариант специализированной платформы представляется также более предпочтительным.
В общем случае, недостатком специализированной интеграционной платформы по сравнению с готовой универсальной является высокая трудоёмкость изменений в случае кардинальной перестройки всей структуры интегрируемой системы. Однако в случае САПР РЛС задача обеспечения легкой и быстрой кардинальной перестройки всей структуры системы не стоит, так как дальнейшие модификации системы будут заключаться в доработке (переработке) отдельных модулей, либо включению в состав системы новых модулей. Важно отметить, что гибкость отдельных подсистем там, где она действительно нужна, должна обеспечиваться внутри самой подсистемы (это, например, возможность гибко варьировать, настраивать, комбинировать и
оптимизировать алгоритмы обработки радиолокационной информации) и это не функции интеграционной платформы.
4 Заключение
В докладе показаны актуальность разработки отечественной САПР РЛС полного сквозного цикла и её общая архитектура, а также обсуждена проблема выбора интеграционной платформы. В силу значительной трудоёмкости разработки, а тем более в случае разработки подобной системы "с нуля", разработка САПР РЛС ведется силами АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей», его дочерних предприятий и компаний обладающих компетенциями в области проектирования РЛС, с использованием имеющегося у них задела.
Список литературы
Интегрированная инженерная программная платформа «Гербарий» / Фонд перспективных исследований [Электронный ресурс]. - URL: ^^://гербарий.рф/ (дата обращения 27.02.2017)
Пакет программ «Логос» / РФЯЦ-ВНИИЭФ Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (федеральный ядерный центр) [Электронный ресурс]. - URL: http://www.vniief.ru/wps/wcm/connect/vniief/site/researchdirections/civildevelopment/products/it/razr/0e574280 49bde139bf30ff3d902053fb (дата"обращения~27.02.2017).
SimlnTech - российская система модельно-ориентированного проектирования систем автоматического управления / ООО «3В Сервис» [Электронный ресурс]. - URL: http://simintech.ru (дата обращения 27.02.2017).
pSeven - платформа для анализа данных, оптимизации и создания аппроксимационных моделей, интеграции в единой программной среде различных инженерных приложений, алгоритмы многодисциплинарной оптимизации и инструменты анализа данных для упрощения принятия конструкторских решений / DATADVANCE [Электронный ресурс]. - URL: https://www.datadvance.net/ru/ (дата обращения 27.02.2017).
