Автоматизація структурного синтезу мікроелектромеханічних систем та аналіз їх динаміки

Abstract

The method of branches and boundaries was used for the first time to reduce the power set of alternatives in solving problems of structural synthesis of MEMS. A simulation model based on the theory of stochastic Petri nets was designed that allows to determine the output parameters of microelectromechanical systems and dynamics of the system taking into account the stochastic nature of parameters of structure elements of integrated microsystems. Structural model based on the theory of inhibitor Petri nets was improved which allows to increase efficiency of model by reducing the volume of calculations. Information models were further developed for storage and processing of data about a coverage graph and journal of analysis of inhibitor and stochastic Petri nets based on set theory, double ended list data structures using XML - format that allows to organize effective data exchange between software components of information technology of analysis and synthesis of MEMS and information technology software for structural analysis and synthesis of MEMS were developed that allows improving the development of integrated devices of this class and level of design automation.Цель диссертации состоит в развитии и усовершенствовании информационной технологии структурного синтеза и анализа структурных схем МЭМС на основании разработки методов, моделей и программных средств автоматизированного проектирования микроэлектромеханических систем. Объект исследования − процесс автоматизации структурного синтеза микроэлектромеханических систем и анализа и их динамики, а предмет исследования − модели и средства информационной технологии автоматизации структурного синтеза микроэлектромеханических систем и анализа и их динамики. Для решения задач структурного синтеза использовано методы компьютерного и математического моделирования, целочисленного программирования и теории сложных систем. При разработке моделей для анализа МЭМС использовано теорию расширенных сетей Петри. В диссертации решена научная задача повышения эффективности информационной технологии анализа и синтеза структур микроэлектромеханических систем на основании разработки проэктной процедуры синтеза с использованием метода ветвей и границ, моделей анализа на базе стохастических и ингибиторных сетей Петри, построенных информационных моделей и разработанных программных средств. Проведено анализ существующих методов, моделей и программных средств разработки структур сложных систем, на основании чего показано, что для повышения эффективности автоматизированного анализа и синтеза микроэлектромеханических систем на системном уровне, необходимо построить модели, которые учитывают стохастическую природу параметров структур микросистем, разработать процедуру автоматизации уменьшения мощности множества альтернативных решений на основании метода ветвей и границ, усовершенствовать информационные модели для повышения эффективности обмена данными между программными средствами информационной технологии. Впервые применено метод ветвей и границ для уменьшения мощности множества альтернативных решений при решении задач структурного синтеза микроэлектромеханических систем, который основывается на использовании микротехнологий изготовления интегральных систем в качестве критерия деления на подгруппы множества начального решения и разработанных критериях оценки нижней/верхней границ каждого с подмножеств альтернатив (быстродействие, стоимость изготовления, надежность или интегральный критерий), что дает возможность повысить уровень автоматизации процедуры синтеза альтернативных решений структур МЭМС. Построено структурную модель для решения задач анализа на системном уровне разработки МЭМС, которая базируется на теории стохастических сетей Петри и, в отличии от существующих, дает возможность определить исходные параметры микроэлектромеханических систем и динамику работы системы с учетом стохастической природы параметров элементов структуры интегральных микросистем. Усовершенствовано структурную модель для решения задач анализа на системном уровне разработки МЭМС, которая базируется на теории ингибиторных сетей Петри, что дает возможность, в отличии от существующих, повысить параметр экономичности модели путем уменьшения объема вычислений на 10 – 15%. Получили дальнейшее развитие информационные модели для сохранения и обработки данных об графе достижимости и журнал анализа стохастических и ингибиторных сетей Петри, которые базируются на теории множеств, двухсвязных списочных структурах данных и используют XML - формат, что дает возможность учитывать особенности стохастических и ингибиторных сетей Петри и эффективно организовать обмен данными между составляющими программных средств информационных технологий анализа и синтеза микроэлектромеханических систем. Практическое значение результатов работы состоит в том, что: разработано проектную процедуру автоматизированного синтеза МЭМС на основании метода ветвей и границ; разработано структурную схему информационных технологий структурного анализа и синтеза МЭМС, которая включает подсистему генерирования множества альтернативных решений на основании морфологического метода, подсистему уменьшения мощности множества альтернативных решений на основании метода ветвей и границ и подсистемы анализа структур МЭМС на основании стохастических и ингибиторных сетей Петри; разработано алгоритмы функционирования и структурные схемы подсистемы уменьшения мощности альтернативных решений и подсистем анализа микросистем с использованием стохастических и ингибиторных сетей Петри; построено структуру программного обеспечения и программно реализовано инструментальные средства информационных технологий структурного синтеза и анализа микроэлектромеханических систем. Теоретические и практические результаты диссертационной работы Хамзы Али Юсеф Альшавабкех внедрены в Физико-механическом институте им. Г.В.Карпенка Национальной академии наук Украины.У дисертації вперше використано метод гілок і границь для зменшення потужності множини альтернативних рішень при розв'язанні задач автоматизації структурного синтезу МЕМС. Розроблено структурну модель для аналізу структур на системному рівні, яка використовує теорію стохастичних мереж Петрі і, на відміну від існуючих, дає можливість визначити вихідні параметри мікроелектромеханічних систем та динаміку роботи системи з врахуванням стохастичної природи параметрів елементів структури інтегральних мікросистем. Вдосконалено структурну модель, що ґрунтується на теорії інгібіторних мереж Петрі, що дає можливість підвищити параметр економічності моделі шляхом зменшення обсягу обчислень. Отримали подальший розвиток інформаційні моделі для збереження та оброблення даних про граф досяжності і журнал аналізу стохастичних та інгібіторних мереж Петрі, які базуються на теорії множин, двозв’язних спискових структурах даних і використовують XML - формат, що дає змогу ефективно організувати обмін даними між складовими програмних засобів інформаційної технології синтезу та аналізу МЕМС і розроблено програмні засоби інформаційної технології структурного аналізу і синтезу МЭМС, що дає можливість підвищити ефективність розроблення інтегральних приладів цього класу і рівень автоматизації проектних процедур на системному рівні розроблення мікросистем.