Разработка комплекса автоматизированных средств поддержки проектирования кремниевой трековой системы эксперимента CBM на ускорительном комплексе FAIR
|
Аннотация 1
Введение 7
1. Техническое задание 9
1.1. Введение 9
1.1.1. Краткая характеристика области применения 9
1.2. Исходные данные 9
1.3. Основания для разработки 10
1.3.1. Основание для проведения разработки 10
1.4. Назначение разработки 10
1.4.1. Функциональное назначение объектов дипломного проектирования 10
1.4.2. Эксплуатационное назначение 12
1.5. Требования к разработке 12
1.5.1. Требования к функциональным характеристикам объектов дипломного проектирования 12
1.5.2. Требования к надежности 14
1.5.3. Условия эксплуатации 15
1.5.4. Требования к составу и параметрам технических средств 16
1.5.5. Требования к информационной и программной совместимости 16
1.5.6. Специальные требования 17
1.6. Требования к программной документации 17
1.6.1. Предварительный состав программной документации 17
1.7. Стадии и этапы разработки 17
1.7.1. Стадии разработки 17
1.7.2. Этапы разработки 17
1.7.3. Содержание работ по этапам 18
1.8. Порядок контроля и приемки 18
1.8.1. Виды испытаний 18
1.8.2. Общие требования к приемке работы 18
2. Определения, обозначения и сокращения 19
3. Научно-исследовательская часть 21
3.1. Минимизация числа типоразмеров используемых в модели кабелей 21
3.2. Эвристические алгоритмы минимизации числа используемых в STS
типоразмеров кабелей 22
3.2.1. Эвристический алгоритм разбиения длин кабелей на группы 22
3.2.2. Эвристический алгоритм рационального разбиения длин кабелей на
группы с учетом особенностей конструкции STS 23
3.2.3. Эвристический алгоритм рационального разбиения длин кабелей
на группы с учетом особенностей конструкции STS, а также с присвоением всем параметрам линейки значений, кратных шагу фермы 25
3.3. Результаты работы рассмотренных алгоритмов разбиения длин кабелей на группы 26
4. Конструкторская часть 28
4.1. Реализация методики комплексного анализа разных технических и компоновочных решений STS 28
4.2. Состав STS 29
4.3. Определение функциональности программного комплекса «STS Creator Program Complex» 32
4.4. Этапы работы с “STS-Creator Program Complex” 34
4.4.1. Создание параметризованной модели STS 34
4.4.2. Добавление перекрестных ссылок в html-описания узлов конструкции .. 43
4.4.3. Минимизация числа типоразмеров используемых в модели кабелей 45
4.5. Задача параметризации линейки 45
4.6. Применение подхода нисходящего проектирования к созданию STS 47
4.7. Модернизация модели STS 48
4.8. Влияние длин линеек на свойства STS 50
4.8.1. Анализ модели станции STS с одинаковой длиной всех линеек 50
4.8.2. Анализ модели станции STS с разной длиной линеек 52
4.9. Анализ разных вариантов использования охлаждающих пластин 53
4.9.1. Анализ модели станции STS с общей пластиной для соседних четвертей станций 53
4.9.2. Анализ модели STS, в которой каждая четверть станции имеет свою охлаждающую пластину 53
4.10. Взаимное расположение узлов с электроникой на общей охлаждающей пластине 54
4.10.1. Анализ модели, в которой узлы с электроникой друг напротив друга расположены 54
4.10.2. Анализ модели, в которой узлы с электроникой располагаются в
шахматном порядке 55
4.11. Анализ модели с общей охлаждающей пластиной и с общей рамой для
четвертей соседних станций 56
4.12. Анализ модели с общей охлаждающей пластиной и с общей рамой для четвертей соседних станций с использованием наклонных полочек в узлах с электроникой 58
4.13. Реализованная по результатам пространственного анализа система проверок 59
4.14. Монтаж/ демонтаж модулей из линейки 60
4.15. Проблема перекрытия сенсоров задней половины станции рамой и узлами с электроникой передней половины станции 61
4.16. Средства анализа и иллюстрации имеющихся технических и
компоновочных решений STS 62
4.16.1. Проектирование базы данных для хранения и накопления информации о технических и компоновочных решениях STS 62
4.16.2. Разработка ассоциативной карты для представления технических и
компоновочных решений STS в Xmind 68
5. Технологическая часть 70
5.1. САПР CATIA 70
5.1.1. CATIA VBA API 70
5.1.2. Инструментальные средства CATIA 70
5.1.3. Возможности Knowledge Advisor 70
5.2. Язык разметки гипертекста (HTML) 76
5.3. Xmind 76
5.4. Enterprise Architect 76
5.5. pgAdmin III 77
5.6. PHP 77
5.7. IIS 77
6. Организационно-экономическая часть 78
6.1. Введение 78
6.2. Расчёт трудоёмкости проекта и затрат на проект 78
6.3. Календарный график выполнения проекта 80
6.4. Анализ структуры затрат проекта 80
6.5. Выводы по организационно-экономической части дипломного проекта 85
7. Охрана труда и экология 86
7.1. Анализ основных факторов воздействия среды на оператора ПК 86
7.1.1. Обеспечение параметров микроклимата 87
7.1.2. Обеспечение освещения рабочего места 87
7.1.3. Оптимальное размещение оборудования 88
7.1.4. Проектирование основных элементов рабочего места 88
7.1.5. Обеспечение электробезопасности 88
7.1.6. Обеспечение допустимого уровня шума 89
7.1.7. Обеспечение пожаробезопасности 89
7.2. Расчёт системы освещения 90
7.2.1. Выбор источников света и системы освещения 91
7.2.2. Выбор осветительных приборов 91
7.2.3. Размещение осветительных приборов 91
7.2.4. Выбор освещенности и коэффициента запаса 91
7.2.5. Расчет осветительной установки 91
7.3. Утилизация медьсодержащих растворов травления от производства печатных плат 93
7.4. Выводы 94
Заключение 95
Список источников 96
Введение 7
1. Техническое задание 9
1.1. Введение 9
1.1.1. Краткая характеристика области применения 9
1.2. Исходные данные 9
1.3. Основания для разработки 10
1.3.1. Основание для проведения разработки 10
1.4. Назначение разработки 10
1.4.1. Функциональное назначение объектов дипломного проектирования 10
1.4.2. Эксплуатационное назначение 12
1.5. Требования к разработке 12
1.5.1. Требования к функциональным характеристикам объектов дипломного проектирования 12
1.5.2. Требования к надежности 14
1.5.3. Условия эксплуатации 15
1.5.4. Требования к составу и параметрам технических средств 16
1.5.5. Требования к информационной и программной совместимости 16
1.5.6. Специальные требования 17
1.6. Требования к программной документации 17
1.6.1. Предварительный состав программной документации 17
1.7. Стадии и этапы разработки 17
1.7.1. Стадии разработки 17
1.7.2. Этапы разработки 17
1.7.3. Содержание работ по этапам 18
1.8. Порядок контроля и приемки 18
1.8.1. Виды испытаний 18
1.8.2. Общие требования к приемке работы 18
2. Определения, обозначения и сокращения 19
3. Научно-исследовательская часть 21
3.1. Минимизация числа типоразмеров используемых в модели кабелей 21
3.2. Эвристические алгоритмы минимизации числа используемых в STS
типоразмеров кабелей 22
3.2.1. Эвристический алгоритм разбиения длин кабелей на группы 22
3.2.2. Эвристический алгоритм рационального разбиения длин кабелей на
группы с учетом особенностей конструкции STS 23
3.2.3. Эвристический алгоритм рационального разбиения длин кабелей
на группы с учетом особенностей конструкции STS, а также с присвоением всем параметрам линейки значений, кратных шагу фермы 25
3.3. Результаты работы рассмотренных алгоритмов разбиения длин кабелей на группы 26
4. Конструкторская часть 28
4.1. Реализация методики комплексного анализа разных технических и компоновочных решений STS 28
4.2. Состав STS 29
4.3. Определение функциональности программного комплекса «STS Creator Program Complex» 32
4.4. Этапы работы с “STS-Creator Program Complex” 34
4.4.1. Создание параметризованной модели STS 34
4.4.2. Добавление перекрестных ссылок в html-описания узлов конструкции .. 43
4.4.3. Минимизация числа типоразмеров используемых в модели кабелей 45
4.5. Задача параметризации линейки 45
4.6. Применение подхода нисходящего проектирования к созданию STS 47
4.7. Модернизация модели STS 48
4.8. Влияние длин линеек на свойства STS 50
4.8.1. Анализ модели станции STS с одинаковой длиной всех линеек 50
4.8.2. Анализ модели станции STS с разной длиной линеек 52
4.9. Анализ разных вариантов использования охлаждающих пластин 53
4.9.1. Анализ модели станции STS с общей пластиной для соседних четвертей станций 53
4.9.2. Анализ модели STS, в которой каждая четверть станции имеет свою охлаждающую пластину 53
4.10. Взаимное расположение узлов с электроникой на общей охлаждающей пластине 54
4.10.1. Анализ модели, в которой узлы с электроникой друг напротив друга расположены 54
4.10.2. Анализ модели, в которой узлы с электроникой располагаются в
шахматном порядке 55
4.11. Анализ модели с общей охлаждающей пластиной и с общей рамой для
четвертей соседних станций 56
4.12. Анализ модели с общей охлаждающей пластиной и с общей рамой для четвертей соседних станций с использованием наклонных полочек в узлах с электроникой 58
4.13. Реализованная по результатам пространственного анализа система проверок 59
4.14. Монтаж/ демонтаж модулей из линейки 60
4.15. Проблема перекрытия сенсоров задней половины станции рамой и узлами с электроникой передней половины станции 61
4.16. Средства анализа и иллюстрации имеющихся технических и
компоновочных решений STS 62
4.16.1. Проектирование базы данных для хранения и накопления информации о технических и компоновочных решениях STS 62
4.16.2. Разработка ассоциативной карты для представления технических и
компоновочных решений STS в Xmind 68
5. Технологическая часть 70
5.1. САПР CATIA 70
5.1.1. CATIA VBA API 70
5.1.2. Инструментальные средства CATIA 70
5.1.3. Возможности Knowledge Advisor 70
5.2. Язык разметки гипертекста (HTML) 76
5.3. Xmind 76
5.4. Enterprise Architect 76
5.5. pgAdmin III 77
5.6. PHP 77
5.7. IIS 77
6. Организационно-экономическая часть 78
6.1. Введение 78
6.2. Расчёт трудоёмкости проекта и затрат на проект 78
6.3. Календарный график выполнения проекта 80
6.4. Анализ структуры затрат проекта 80
6.5. Выводы по организационно-экономической части дипломного проекта 85
7. Охрана труда и экология 86
7.1. Анализ основных факторов воздействия среды на оператора ПК 86
7.1.1. Обеспечение параметров микроклимата 87
7.1.2. Обеспечение освещения рабочего места 87
7.1.3. Оптимальное размещение оборудования 88
7.1.4. Проектирование основных элементов рабочего места 88
7.1.5. Обеспечение электробезопасности 88
7.1.6. Обеспечение допустимого уровня шума 89
7.1.7. Обеспечение пожаробезопасности 89
7.2. Расчёт системы освещения 90
7.2.1. Выбор источников света и системы освещения 91
7.2.2. Выбор осветительных приборов 91
7.2.3. Размещение осветительных приборов 91
7.2.4. Выбор освещенности и коэффициента запаса 91
7.2.5. Расчет осветительной установки 91
7.3. Утилизация медьсодержащих растворов травления от производства печатных плат 93
7.4. Выводы 94
Заключение 95
Список источников 96
Разработка дипломного проекта осуществляется в рамках сотрудничества института теоретической и экспериментальной физики в Москве и центра исследования тяжелых ионов GSI, Германия.
В центре исследования тяжелых ионов в Германии проводятся работы по проектированию нового ускорительного комплекса - FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) [3].
Комплекс FAIR состоит из тщательно спроектированной компоновки связанных между собой аппаратов для ускорения и накопления пучков частиц высокого качества, а также для получения новых частиц, рождающихся при бомбардировке мишеней первичными пучками. Эти ускорители оснащены современными детекторами и различными инструментами для измерения характеристик новых экзотических частиц, которые могут существовать только в течение короткого времени.
STS (Silicon Tracking System) - один из детекторов, входящих в состав эксперимента CBM (Compressed Baryonic Matter) ускорительного комплекса FAIR.
Кремниевая трековая система состоит из множества чувствительных сенсоров, объединенных в 8 чувствительных плоскостей.
Основная задача трековой системы заключается в отслеживании путей частиц, образовавшихся в ускорителе в результате столкновения пучков протонов. Планируется включить в состав STS 8 станций-детекторов, которые нужно разместить в условиях ограниченного пространства внутри дипольного магнита вместе с газовой системой охлаждения сенсоров, жидкостной или испарительной системой охлаждения для электроники и узлами, занимающимися мониторингом, управлением и передачей данных.
Физики занимаются разработкой и испытаниями отдельных узлов STS, при этом компоновка станций из сенсоров не известна, и будет утверждена на более позднем этапе проектирования. Возникла задача создания гибкой CAD модели установки детектора. Нами была предложена и впоследствии реализована идея создания программы, которая будет строить параметризованную модель STS. Также нами была предложена методика комплексного анализа разных технических и компоновочных решений установки детектора.
В конструкторской части рассматривается разрабатываемый в рамках дипломного проекта программный комплекс, который будет использоваться для построения параметризованной модели кремниевой трековой системы, которая будет служить для визуализации модели детектора и обнаружения компоновочных проблем. Также программный комплекс будет использоваться для минимизации числа используемых в модели кабелей, что приведет к снижению затрат на изготовление литографических масок и повысит взаимозаменяемость используемых кабелей.
Полученная гибкая CAD модель установки детектора представляет собой исходную информацию для проведения пространственного анализа модели, обнаружения компоновочных проблем, исследования других вариантов решения проблем. По результатам проведенного пространственного анализа в модель добавляется система проверок, которая предназначена для отслеживания выполнения условий и оповещения пользователя в случае обнаружения несоответствий.
В конструкторской части исследуются возможные программные средства для организации, систематизации и хранения информации об STS. В рамках выполнения дипломного проекта планируется реализовать базу данных, в которую будет вноситься информация о возможных вариантах решения возникающих компоновочных проблем, достоинства и недостатки разных технических и компоновочных решений, а также связи и зависимости между различными решениями. Также планируется исследовать возможности Xmind для организации ассоциативных карт с целью систематизации и визуализации имеющейся информации об STS.
В научно-исследовательской части дипломного проекта приводятся и сравниваются эвристические алгоритмы рационального разбиения длин кабелей на группы.
Технологическая часть содержит краткий обзор применяемых технологий и программных продуктов, а также основные средства модуля Knowledgeware САПР CATIA V5, используемые для организации построения параметризованной модели установки детектора и организации системы проверок.
В центре исследования тяжелых ионов в Германии проводятся работы по проектированию нового ускорительного комплекса - FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) [3].
Комплекс FAIR состоит из тщательно спроектированной компоновки связанных между собой аппаратов для ускорения и накопления пучков частиц высокого качества, а также для получения новых частиц, рождающихся при бомбардировке мишеней первичными пучками. Эти ускорители оснащены современными детекторами и различными инструментами для измерения характеристик новых экзотических частиц, которые могут существовать только в течение короткого времени.
STS (Silicon Tracking System) - один из детекторов, входящих в состав эксперимента CBM (Compressed Baryonic Matter) ускорительного комплекса FAIR.
Кремниевая трековая система состоит из множества чувствительных сенсоров, объединенных в 8 чувствительных плоскостей.
Основная задача трековой системы заключается в отслеживании путей частиц, образовавшихся в ускорителе в результате столкновения пучков протонов. Планируется включить в состав STS 8 станций-детекторов, которые нужно разместить в условиях ограниченного пространства внутри дипольного магнита вместе с газовой системой охлаждения сенсоров, жидкостной или испарительной системой охлаждения для электроники и узлами, занимающимися мониторингом, управлением и передачей данных.
Физики занимаются разработкой и испытаниями отдельных узлов STS, при этом компоновка станций из сенсоров не известна, и будет утверждена на более позднем этапе проектирования. Возникла задача создания гибкой CAD модели установки детектора. Нами была предложена и впоследствии реализована идея создания программы, которая будет строить параметризованную модель STS. Также нами была предложена методика комплексного анализа разных технических и компоновочных решений установки детектора.
В конструкторской части рассматривается разрабатываемый в рамках дипломного проекта программный комплекс, который будет использоваться для построения параметризованной модели кремниевой трековой системы, которая будет служить для визуализации модели детектора и обнаружения компоновочных проблем. Также программный комплекс будет использоваться для минимизации числа используемых в модели кабелей, что приведет к снижению затрат на изготовление литографических масок и повысит взаимозаменяемость используемых кабелей.
Полученная гибкая CAD модель установки детектора представляет собой исходную информацию для проведения пространственного анализа модели, обнаружения компоновочных проблем, исследования других вариантов решения проблем. По результатам проведенного пространственного анализа в модель добавляется система проверок, которая предназначена для отслеживания выполнения условий и оповещения пользователя в случае обнаружения несоответствий.
В конструкторской части исследуются возможные программные средства для организации, систематизации и хранения информации об STS. В рамках выполнения дипломного проекта планируется реализовать базу данных, в которую будет вноситься информация о возможных вариантах решения возникающих компоновочных проблем, достоинства и недостатки разных технических и компоновочных решений, а также связи и зависимости между различными решениями. Также планируется исследовать возможности Xmind для организации ассоциативных карт с целью систематизации и визуализации имеющейся информации об STS.
В научно-исследовательской части дипломного проекта приводятся и сравниваются эвристические алгоритмы рационального разбиения длин кабелей на группы.
Технологическая часть содержит краткий обзор применяемых технологий и программных продуктов, а также основные средства модуля Knowledgeware САПР CATIA V5, используемые для организации построения параметризованной модели установки детектора и организации системы проверок.
Разработанный программный комплекс планируется применять для автоматизации процесса проектирования кремниевой трековой системы эксперимента CBM ускорительного комплекса FAIR. Программа STS-Creator автоматизирует и ускоряет процесс построения гибкой CAD-модели STS, а также учитывает последние технические и компоновочные решения. Программа CablesClasterization подбирает параметры линеек, обеспечивающие минимальное число типоразмеров используемых в модели STS кабелей. Разработанная методика комплексного анализа сведений об STS является платформой для накопления информации о разных технических и компоновочных решениях STS.
Планируется продолжить сотрудничество с центром исследования тяжелых ионов в Германии, используя разработанную методику и программный комплекс для поддержки проектирования эксперимента CBM, а в дальнейшем использование данной методики при проектировании других экспериментов. Планируется расширить организованную ассоциативную карту и пополнить реализованную базу данных новыми сведениями, а также изучить подходы для накопления знаний, используемые в других экспериментах.
Планируется продолжить сотрудничество с центром исследования тяжелых ионов в Германии, используя разработанную методику и программный комплекс для поддержки проектирования эксперимента CBM, а в дальнейшем использование данной методики при проектировании других экспериментов. Планируется расширить организованную ассоциативную карту и пополнить реализованную базу данных новыми сведениями, а также изучить подходы для накопления знаний, используемые в других экспериментах.