Уровни, аспекты проектирования. Блочно-иерархический подход к проектированию
Проектирование ТО – процесс, заключающийся в преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера. Проектирование ТО начинается с разработки задания на проектирование, которое отражает потребности общества в получении некоторого технического изделия. Задание представляется в виде тех или иных документов и является исходным (первичным) описанием объекта. ТЗ, как правило, содержит общие требования к разрабатываемому объекту, цель и задачи разработки, технико-экономическое обоснование проекта, календарный план и основные этапы разработки, ожидаемый результат работы.
Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Документация представляет собой окончательное описание объекта.
Преобразование исходного описания в окончательное порождает промежуточные описания, которые являются предметом рассмотрения с целью определения этапов и направлений дальнейшей работы. Процесс разработки ТО, как и все решения в жизни, учебе, производится поэтапно. Такие описания называются проектными решениями.
Автоматизированное проектирование – это проектирование при котором все или часть проектных решений получают в процессе взаимодействия человека и ЭВМ. При проектировании сложных объектов и систем используют принципы системного анализа, основными из которых являются декомпозиция и иерархичность описания, многоэтапность и итерационность проектирования, типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.
Иерархические уровни описаний проектируемых объектов
Описания ТО должны быть согласованы по сложности с возможностями восприятия человеком и оперирования описаниями в процессе их преобразования с помощью имеющихся средств проектирования.
Выполнить общее описание и преобразовать информацию, чтобы получить более качественное решение без выявления структуры объекта, очень трудно. Элемент системы усовершенствовать всегда проще, чем систему в целом.
Структурирование описаний и расчленение представлений о проектируемых объектах приводит к блочно-иерархической модели представления данных, а также выделению аспектов описаний.
Такое структурирование позволяет распределить (распараллелить) работы по проектированию между подразделениями проектных организаций (программистами при создании программных продуктов), способствует повышению производительности труда за счет специализации и дает возможность отчасти снизить требования к профессиональной подготовке разработчиков.
В основе блочно-иерархического подхода к проектированию лежит выделение иерархических уровней (уровней абстрагирования) в представлениях об объекте. На каждом уровне используются свои понятия системы и элементов. На верхнем уровне расположен сложный объект проектирования S, который рассматривается как система n взаимосвязанных и взаимодействующих элементов Si (i=1...n). Каждый элемент Si в свою очередь рассматривается как состоящий из m взаимосвязанных и взаимодействующих элементов Sij на следующем уровне (j=1...m).
Такое разбиение продолжается до тех пор, пока оно не становиться достаточным в рамках рассматриваемой задачи. Элементы, которые не подлежат делению, называют базовыми.
Принцип иерархичности - структурирование представлений об объектах проектирования по степени детализации описания.
Принцип декомпозиции (блочности) - разбиение представлений каждого уровня на ряд составных частей (блоков) для раздельного проектирования.
Блочно-иерархическая структура представлений об объектах в машиностроении:
базовые элементы (детали - вал, шестерня ...);
сборочные единицы (узлы - вал с подшипниками и шестерней...);
агрегаты (станки, прессы...);
комплексы (поточные линии, летательный аппарат...).
Кроме рассмотренной выше декомпозиции используют также декомпозицию описаний по характеру отображаемых свойств объекта. Такая декомпозиция приводит к появлению ряда аспектов (функциональный, конструкторский, технологический - см. теоретические сведения к третьей лабораторной работе), которым соответствуют аналогичные виды проектирования.
Могут использоваться и другие аспекты описаний: например функциональный аспект разделить на электрический, механический, гидравлический, химический и др. В данном случае деление выполнено по физическим основам явлений в объекте. Всегда желательно выделять принцип деления, а затем перечислять возможные варианты.
В качестве графического представления описания объекта могут использоваться графы (деревья). Описание в виде И-дерева удобно применять для конкретного объекта. И-дерево представляет собой множество вершин и связывающих их ребер. Вершины разделены на ярусы, каждый из которых относится к одному из иерархических уровней. Таким образом, разбиение объекта находится в рамках блочно - иерархического подхода к структурному описанию объектов. Вершины отображают составные части проектируемого объекта. Рёбра отражают всевозможные связи между вершинами (не только механические, как, например, в редукторе). При создании программных продуктов указывают потоки данных между блоками, модулями, например, для объекта «автомобиль» (рис. 2).
я
рус
0 (уровень абстракции)
П
одсистемы
(ярус 1)
двигатель, ходовая часть,
э
лектрооборудование
Д
етали
(ярус 2)
поршень, шатун,
коленчатый вал
Рисунок 2 – Обобщенное И дерево для объекта «автомобиль»
Вершины (элементы) нижнего яруса (иерархического уровня) в рамках принятого представления сложной системы - автомобиль, называются базовыми элементами или листьями.
Для автоматизации обработки информации, представленной в виде графов, последние могут задаваться в виде матриц (матрицы смежности и матрицы инцидентности).
Матрица смежности для графа G(n) имеет вид M = [mij], (i,j = 1…n), где n‑число узлов графа. При наличии связи между i-м и j-м узлом значение mij = 1, иначе mij = 0.
Матрица инцидентности имеет вид B = [bij] (i = 1…n, j = 1…k), где n - число узлов графа, k - количество ребер графа. Каждая строка соответствует одному узлу, кроме одного, который называется базовым (в качестве базового может быть выбран произвольный узел). Каждый столбец соответствует одному ребру. Если ребро j направлено из узла i, то bij= (+1). Если ребро j направлено к узлу i, то bij= (-1).