2. Компоненты сапр, основные концепции и структура программного обеспечения
Для реализации компьютерно-ориентированного подхода к проектированию и производству нужно специальное аппаратное и программное обеспечение. Ключевым аспектом является интерактивное управление формой, поэтому, аппаратное и программное обеспечение для интерактивного манипулирования формами относится к числу основных компонентов, составляющих системы CAD/CAM/CAE. Графические устройства и периферийные устройства ввода-вывода вместе с обычным вычислительным модулем составляют аппаратное обеспечение систем CAD/CAM/CAE (рис. 1.1). Ключевыми программными компонентами являются пакеты, манипулирующие формами или анализирующие их под управлением пользователя в двух или в трех измерениях, одновременно обновляя базу данных. Далее эти аппаратные и программные компоненты рассмотрим более подробно.
Рис. 1.1. Компоненты систем CAD/CAM/CAE
2.1. Аппаратное обеспечение
Вопреки сложившемуся мнению, САПР — это не только комплекс программных средств, в которые предприятия делают основные вложения, но и солидная аппаратная база, требующая соответствующего материального обеспечения и на несколько лет определяющая стратегию развития САПР как программного комплекса предприятия. Сейчас уже совершенно очевидно, что внедрение САПР необходимо осуществлять как внедрение программно-аппаратного комплекса, обладающего требуемой функциональностью. На рынке САПР каждый год появляется много новинок, которые увеличивают функциональность прикладного ПО, но можно утверждать, что революционные прорывы происходят с периодичностью в три-четыре года. Причем промежуток между заявлением производителя ПО о новой функциональности и началом квалифицированной работы с нею пользователем может составлять до 12 месяцев. Примерно тот же временной интервал характерен и для оптимизации аппаратных ресурсов под вновь приобретаемое ПО. Из этого можно сделать следующий вывод: если аппаратный комплекс оптимизировать под существующую функциональность прикладного ПО, а также дать ему некоторый запас прочности, то моральное устаревание комплекса удастся отодвинуть на несколько лет. Попробуем сформулировать основные принципы жизнеспособности аппаратного комплекса:
дифференциация рабочих мест для плоского и трехмерного проектирования;
выделение компьютера или группы компьютеров для реализации функций серверов приложений, данных пользователей, различных групповых сервисов;
организация централизованного резервного копирования информации серверов (обязательно) и отдельных рабочих мест (по степени важности информации);
выделение устройства вывода для индивидуального доступа каждого пользователя;
предварительный расчет нагрузки на ЛВС (локальную вычислительную сеть) и оптимизация трафика;
формирование топологии ЛВС таким образом, чтобы ее надежность была максимальна и не зависела от воздействия внешних факторов;
выделение места для репликации технической документации (до формата А0+) с целью оптимизации нагрузки на устройства вывода информации на бумажные носители;
наличие минимального аппарата администрирования комплекса (инженеров IT).
Такой подход поможет минимизировать расходы на поддержание функциональности комплекса в рассматриваемый временной период.
Перед любым пользователем вычислительной техники на начальном этапе конфигурирования системы всегда встает главный вопрос: на какой технике планируется эта работа? Сейчас конечному пользователю доступны практически все типы вычислительных систем, но вопрос о том, какую архитектуру системы выбрать (RISC или CISC), почти всегда однозначно решается в пользу CISC, а если говорить конкретнее — Intel-систем.
Попробуем разобраться, хорош такой подход или плох. В пользу Intel-систем можно привести следующие аргументы:
распространенность программного обеспечения;
существующий уровень образования конечного пользователя;
несанкционированное использование коммерческих версий программных продуктов;
отработанная технология ремонта и хорошая ремонтопригодность таких систем.
При этом пользователь забывает о том, что такие системы были созданы «для всего». Универсальная системная архитектура позволяет приложениям выполняться как одинаково хорошо или одинаково средне, так и одинаково плохо. При этом со стороны RISC-системы, как правило с UNIX ОС на борту, выступает один аргумент, кажущийся пользователю весьма веским: «Ну и что мне потом с такой системой делать?» Остальные аргументы, как правило, «за»:
система ориентирована на высокопроизводительные вычисления;
программное обеспечение имеет отработанные алгоритмы, причем именно на основе этих алгоритмов строится программное обеспечение для Intel-систем;
система имеет высокую надежность, что практически сводит к минимуму выход техники из строя;
прикладное программное обеспечение ориентировано на возможности именно этой, конкретной системы;
все имеющиеся программы на этой вычислительной системе выполняются одинаково хорошо.
Что могут противопоставить обычные «персоналки», пусть даже класса «рабочая станция»? Ответ на этот вопрос может показаться пользователю несколько нелогичным: дифференциацию рабочих мест всего комплекса САПР и, как следствие, отказ от принципа all-in-one (все в одном).
Если расшифровать данное направление развития вычислительного комплекса, то это может выглядеть следующим образом:
применение процессоров нижнего класса в компьютерах на рабочих местах, предназначенных для 2D-проектирования;
четкое и однозначное формирование комплекса программного обеспечения как для 2D-, так и для 3D-рабочих мест;
применение накопителя на жестких дисках минимально возможной емкости в соответствии с требованиями программного комплекса;
применение RDRAM или DDR RAM в станциях, предназначенных для вычислений в режиме реального времени или визуализации сложных объектов;
применение графических ускорителей 2D на рабочих местах для двухмерного проектирования;
применение графических ускорителей с аппаратной реализацией OPEN GL v1.1 (новый стандарт v1.2) для рабочих мест, предназначенных для 3D-визуализации;
если в вашей системе используются программные продукты Autodesk, то желательно применение Heidi-совместимой графической подсистемы.
Вопрос о рабочем месте для обработки двухмерной информации является принципиально важным. Таких компьютеров в системе может быть от нескольких штук до нескольких десятков и даже сотен, а стоимость рабочего места существенно влияет на стоимость всего программно-аппаратного комплекса. В то же время удешевление такого рабочего места не следует проводить в ущерб его функциональности. Оператор САПР должен чувствовать себя комфортно, а его производительность не должна зависеть от конфигурации его рабочего места.
Определяющей особенностью рабочего места CAD 2D является оптимизация системы для работы с двухмерной графикой. Таким образом, в качестве видеоконтроллера может быть использована любая современная графическая карта с 19-дюймовым монитором с разрешением 1024×768 или 1280×1024 точек разверткой не менее 75 Гц. Данные режимы работы мониторов наиболее удобны для операторов с точки зрения эргономики и психомоторики и являются оптимальными для приложений CAD 2D.
В качестве рабочего места для 3D-проектирования желательно использовать несколько различных конфигураций: для организации 3D-сборок, моделирования работы узлов механизма, проведения различных расчетов (прочностных, тепловых и т.п.) и вывода в графической форме результатов на экран монитора в 3D-модели. В данном случае необходимо осознавать, что при разделении 3D-задач на такие классы, как организация сборок, кинематическое моделирование, проведение ресурсоемких расчетов (визуализация сложных объектов), можно разграничить требования к вычислительным платформам, графическим подсистемам, дисковому пространству и в итоге сформировать различные требования к конфигурации таких систем. В свою очередь, производительность графической подсистемы накладывает требование на производительность центрального процессора, а в некоторых случаях — двух- или многопроцессорного ядра системы.
В заключение скажем: используя дифференцированный подход к построению рабочих мест для различных областей применения в САПР, пользователь может полностью или частично отказаться от применения рабочих станций RISC, уменьшить стоимость затрат на новый или модернизируемый программно-аппаратный комплекс, повысить производительность, а главное, эффективность работы своего персонала. Последнее — немаловажное условие для выживания и развития в условиях рыночной экономики подразделений или организаций, использующих различные САПР.
Ввод информации
Наиболее распространенный вариант — это ввод информации с бумажных носителей. Сам по себе этот процесс достаточно трудоемкий и технологически сложный, в нашем примере пусть он будет дополнительно отягощен плохим качеством бумажных носителей: неравномерность тона бумаги, темные пятна, «размытые» линии. В этом случае оправданно применение профессионального сканера. В чем критерий профессиональности? Прежде всего в способе первичной обработки изображения. Профессиональные сканеры не только обеспечивают точностные параметры ввода изображения, но и позволяют конечному пользователю осуществлять первичную цифровую фильтрацию изображений. Кроме общепринятой чувствительности (ввод гистерезиса), яркости и контрастности блок управления сканером может на основе алгоритмов цифровой обработки информации убирать единичные растровые элементы и создавать равномерные закрытые полигоны. Специальные алгоритмы позволяют восстанавливать целостность линий и в некоторых случаях увеличивать их толщину, что необходимо для последующей обработки информации. При этом скорость ввода информации на таких сканерах, даже в режиме цифровой обработки первичной информации, составляет несколько десятков секунд на один лист формата А0. Критичными точностными параметрами сканеров для данного случая являются линейность и относительная погрешность ввода изображения. В этом случае профессиональные сканеры однозначно предпочтительнее устройств SOHO (Small Office Home Application). Существуют ппроекты, которые были созданы на бытовых сканерах форматов А4 и А3. В подобных проектах немаловажную роль сыграл человеческий фактор, а именно «дешевый» инженерно-технический персонал и начальный анализ «фактора времени». Если ваша организация имеет дело с непрерывным потоком сложных проектов, связанных с первоначальным вводом больших объемов графической информации и ее обработкой, альтернативы профессиональному оборудованию для вас пока нет.
Ввод информации с дизайнерских набросков и эскизов также возможен сканированием бумажных носителей или пленок. Это вполне сложившийся традиционный подход. Попробуем рассмотреть иное решение. Для выполнения эскизов или набросков было создано несколько рабочих мест с установленными на них графическими планшетами (дигитайзерами). Посредством стандартного программного обеспечения, поставляемого с планшетами, стала возможна интеграция этих устройств с САПР (например AutoCAD). Все работы по преобразованию и редактированию информации с бумажных носителей теперь могут производиться непосредственно с использованием графических возможностей этой программы. Наиболее удобный инструмент для ввода этой информации — перо дигитайзера, имеющее вид «обычной» шариковой ручки. Обращаю ваше внимание на то, что при работе с пером каждому типу линий соответствуют определенные групповые и индивидуальные атрибуты, а также свое «персональное» перо. Для корректоров и проверяющих, имеются перья со специальными атрибутами, и их пометки автоматически выполняются в нужных слоях. В отдельных случаях ввод информации может осуществляться в растровом режиме.
Все профессиональные сканеры легко и удобно интегрируются в архивы электронных документов; это одно из основных отличий профессионального оборудования от бытового. Сканированный электронный документ может храниться не только как файл, но и как карточка в базе данных, а также как самостоятельный элемент базы данных. Последние два способа хранения графической информации становятся незаменимыми при большом объеме проектов, ведении цифровых архивов различных проектов, внесении изменений в проект, выполненный несколько лет назад.
Также возможны другие варианты ввода информации:
с клавиатуры или манипулятора «мышь»
импорт данных из файлов.
Последний этап — получение твердой копии объекта. Этот этап техпроцесса, имеющий столь необычное название, ординарен и заключается в выводе информации на плоттер. Механизм вывода может быть различен, но наиболее эффективным в данном случае будет организация сервера печати и механизма очередей. Механизм очередей поможет упростить удаленное администрирование сервера печати и справиться с повышенным расходом бумажных носителей, связанным с ошибочным выводом на печать. В проектных организациях, имеющих большой объем печатных работ, при использовании механизма очередей печати целесообразно применять плоттеры с непрерывной подачей чернил. Это связано с тем, что объем танков с чернилами значительно превышает объем картриджей; кроме того, существует возможность пополнения запаса чернил в процессе работы устройства. Последнее необходимо в первую очередь для корпоративных плоттеров в связи с тем, что пользователи часто не контролируют состояние устройства, а количество заданий, выполняемых с помощью данного устройства, может быть велико. Целесообразно также установить несколько «персональных» плоттеров среднего уровня. Это связано с тем, что на данных рабочих местах постоянно возникает необходимость получения оперативной твердой копии объекта в обход основного существующего техпроцесса вывода документации на печать.