Sb97948

- 1 -

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

А. В. ГОРЯЧЕВ Н. Е. НОВАКОВА

РАЗРАБОТКА КОМПОНЕНТОВ САПР Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2018

- 2 -

УДК 004.415.28 + 7.021.5(075) ББК З973.23 – 018я7

Г 71

Горячев А. В., Новакова Н. Е.

Г71 Разработка компонентов САПР: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018. 32 с.

ISBN 978-5-7629-2337-8

Посвящено разработке компонентов САПР. Содержит задания к лабораторным работам, практическим занятиям и курсовому проектированию по дисциплине «Системная организация САПР».

Предназначено для студентов бакалавриата дневной формы обучения по направлению 220300 «Информатика и вычислительная техника».

УДК 004.415.28 + 7.021.5(075) ББК З973.23 – 018я7

Рецензент: д-р техн. наук С. Ю. Лузин (ООО «Эремекс»).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

- 3 -

Формирование архитектуры САПР

Для формирования архитектуры САПР используются эмпирические и формализованные методы и соответствующие средства, основу которых составляют базы знаний, экспертные оценки, аналитические и имитационные модели, протоколирование и тестирование технических средств. Эти модели различаются трудоёмкостью и затратами средств на моделирование, программирование и эксперименты для определения оценочных характеристик, а также достоверностью и надёжностью результатов.

Общей чертой большинства указанных методов является их эвристический характер, что связано с нерешёнными проблемами синтеза структур сложных систем, и, как следствие, большая доля субъективизма в принимаемых системных решениях.

Главной целью предложенного в [1] метода является привнесение теоретического обоснования благодаря разработанной обобщённой модели процесса автоматизированного проектирования и системы формальных правил, обеспечивающих преобразование системной модели в рабочие имитационные модели, повышающие степень объективности условий предпочтения для принятия решения о создаваемой архитектуре САПР.

Для исследования сложных систем, в том числе и САПР, широко применяется моделирование. Модель строится на основе эмпирических или предположительных данных, фактов, которые являются не законами или закономерностями, а статистическими формами реальных или воображаемых событий. В ряде случаев модель позволяет выявить новые закономерности, которые не усматривались при анализе уже известных закономерностей и исходных данных в силу их сложности, громоздкости, несогласованности или противоречивости.

Работы, относящиеся к начальным стадиям технического предложения и эскизного проектирования, включают в себя анализ процесса автоматизированного проектирования, выявление возможных вариантов структуры САПР на уровне подсистем (для подсистем на уровне компонентов), выбор рациональных вариантов структуры и технико-экономическое обоснование проекта САПР.

Пусть система S обладает конечным множеством системных свойств

Q ={Qi }, i =1, n , имеющих для общности числовую меру. Пусть возможно

- 4 -

(допустимо) m способов декомпозиции системы S . При k -м ( k m) способе декомпозиции Sk = {Rl }, l = 1, Lk , где Lk – число подсистем в S k -го спо-

соба декомпозиции, каждая подсистема (компонент, ресурс) САПР Rl харак-

теризуется конечным множеством свойств Q ={Ql k }, k =1, K , каждое из кото- рых имеет индивидуальную числовую меру. Множество свойств всех ресурсов R при k-й декомпозиции Qk = {Ql } , l =1, Lk .

Взаимодействуя между собой, ресурсы порождают множество системных процессов (проектных задач) Pk ={Pk j }, j =1, J , Pk j (t) = k j (Qk , t) .

Тогда каждое системное свойство Qi есть некоторый функционал vi от

протекающих в системе процессов Qi = vk i (Pk (t), τ) .

Задача оптимальной организации САПР заключается в выборе, организа-

ции и распределении ресурсов r Rk между проектными задачами Pk согласно заданной декомпозиционной схеме k таким образом, чтобы обеспечить экстремальные значения системных свойств extr Qk (S ) . Требуется найти та-

кие операционные характеристики загрузки компонентов САПР , которые минимизируют время и стоимость проектирования, обеспечивая требуемые качественные характеристики проектируемых объектов. Компоненты (ресурсы) САПР и их функциональные характеристики и свойства, а также отношения между ними являются управляемыми варьируемыми параметрами данной оптимизационной задачи. Производственные программы проектных организаций подразделений, характеристики проектируемых с помощью САПР изделий (главным образом, их сложность) и технологические требования производства являются ограничениями задачи оптимизации.

В отличие от известных подходов к построению архитектур САПР предлагаемый метод [10] основывается на унифицированной процедурной системе операционных компонентов, которые отражают специфику конкретных применений САПР и позволяют повысить достоверность и обоснованность выбора архитектуры системы. Системные модели процесса составляют структурную основу начального описания до тех пор, пока не исследованы многие

- 5 -

функционально-технические характеристики САПР. Следовательно, конструктивные модели компонентов САПР закономерно вырастают из более общей системной модели, а процесс её получения сводится к конкретизации операторов системной модели. Это существенно облегчает задачу конкретного формирования оптимизационной задачи и сокращает пространство поиска решений и соответствующих реализаций.

При различных организационных формах задача построения САПР сохраняется и её решение распадается на ряд взаимосвязанных этапов и задач.

Первым этапом построения САПР является предварительное проектирование системы, главная цель которого заключается в определении необходимости изменений в существующей на предприятии технологии проектирования и выявлении целей создания и модификации САПР. Здесь решаются следующие задачи:

-выявление недостатков и «узких» мест в существующей технологии проектирования;

-формулирование целей перехода к новой технологии проектирования;

-генерация и описание в вербальной или символьной форме практически достижимых вариантов архитектуры;

-предварительный отбор вариантов архитектуры и формирование множества наиболее перспективных вариантов для последующего детального анализа каждого варианта;

-документирование выводов и рекомендаций, полученных по результатам исследований, подготовка технико-экономического обоснования внедрения новых средств автоматизированного проектирования.

Далее проводятся системная оценка и сравнение вариантов архитектуры, сформированных на первом этапе построения САПР. При этом решаются следующие задачи:

-построение детальных ресурсно-процедурных функциональных моделей анализируемых вариантов архитектуры;

-построение эмпирических зависимостей времени выполнения проектных процедур в соответствии со сложностью объекта проектирования и характеристиками используемых ресурсов;

-оформление полученных эмпирических зависимостей в форме имитационных моделей проектных процедур;

-сборка моделей проектных процедур в модели процесса;

-6 -

-проведение имитационных экспериментов на моделях с целью получе-

ния оценок технико-экономических параметров и операционных характеристик САПР;

-технико-экономический анализ полученной информации и выбор оптимального варианта архитектуры для реализации.

Следующий этап, связанный с реализацией аппаратно-программного комплекса и информационно-лингвистической среды, также сопровождается имитационными экспериментами на моделях процесса. Эти эксперименты проводятся по мере уточнения моделей для выбора альтернатив, возникающих при разработке компонентов САПР.

Документация, созданная на первых двух этапах построения САПР, используется для тестирования и эксплуатации системы. В ходе эксплуатации системы имитационные модели используются для определения наиболее эффективных стратегий применения её средств и возможных «узких» мест. Этот этап, завершающий цикл создания системы, может оказаться первым при необходимости дальнейшего совершенствования и модификации системы.

Таким образом, метод формирования архитектуры САПР основан на процедуре, включающей в себя следующие основные шаги (рисунок):

-описание среды автоматизированного проектирования, т. е. процесса, системы и класса объектов проектирования;

-автоматическое преобразование (трансляцию) этого описания в макромодель процесса автоматизированного проектирования;

-статистический анализ этой дискретно-событийной модели;

-оценку свойств полученных результатов и выбор предпочтительных вариантов.

Для формирования архитектуры САПР разработана система моделирования процессов автоматизированного проектирования. Созданная в рамках этой системы подсистема реконфигурации САПР может быть полезна разработчикам САПР на различных этапах жизненного цикла системы проектирования. Принятие проектных решений охватывает широкий круг задач и процедур – от выбора вариантов в конечных и обозримых множествах до задач творческого характера, не имеющих формальных способов решения. Проблема обоснованного выбора человеком оптимальных альтернатив среди набора имеющихся – задача, возникающая в настоящее время повсеместно. Выбор производится одновременно по многим критериям. Для одной и той же проблемы выбора

Создание

первоначального описания структуры САПР

Интерактивное описание процесса и системы

ситуации, в которой производится выбор. От того, насколько профессионально подобраны критерии в отдельно взятой ситуации, зависит, в частности, эффективность производимого отбора. Отсюда следует, что подбирать крите-

- 8 -

рии должен человек с достаточным уровнем квалификации в области, к которой относится принимаемое решение, – эксперт или лицо, принимающее решение (ЛПР). Таким образом, модели формирования и реконфигурации архитектуры САПР разрабатываются для нахождения оптимальной конфигурации САПР. Альтернативной линией поведения в данном случае является выбор из множества того или иного набора параметров конфигурации и структур САПР. В процессе принятия решения о выборе конкретного набора параметров или структуры необходимо учитывать такие факторы, как время реализации проекта, итоговую стоимость и качество полученного объекта проектирования.

Имитационное моделирование можно использовать в сочетании с другими видами моделей (экспертными оценками, аналитическими моделями, экспертными системами) и построенными на их основе инструментальными средствами исследования архитектуры САПР и процесса проектирования. Такие инструментальные средства полезны на различных этапах жизненного цикла САПР: обследования, проектирования, внедрения, реконфигурации существующей системы. Особое значение моделирование имеет на ранних стадиях проектирования, в частности на стадии эскизного проекта, так как позволяет рассмотреть множество вариантов конфигурации системы, выбрать из них наиболее перспективные и тем самым уменьшить риски, связанные с выполнением проекта. Особо следует отметить, что для моделирования коммуникативных процессов наиболее перспективным является агентное моделирование [4]. В связи с этим большой интерес представляют алгоритмы, инспирированные природными явлениями: генетические и эволюционные алгоритмы, муравьиный алгоритм и алгоритм роя частиц, а также имитационные алгоритмы.

Необходимо также отметить, что применение в качестве алгоритма оптимизации точных математических методов оптимизации, обеспечивающих нахождение оптимального решения, не всегда целесообразно, поскольку имитационная модель является копией реальной системы с некоторой степенью точности. При этом использование точных методов, как правило, требует значительных вычислительных затрат, что во многих случаях является критичным или вовсе не допустимо. Поэтому в качестве алгоритма поисковой оптимизации целесообразнее использовать метод, который не обязательно гарантирует достижение точного оптимума, а находит решения, близкие к оптимальным, и при этом обеспечивает быструю поисковую сходимость алгоритма.

- 9 -

Лабораторные работы

Работа 1. Применение унифицированного языка моделирования UML для проектирования компонентов САПР

Цель работы – применение унифицированного языка моделирования UML для описания компонентов САПР.

Необходимо спроектировать и построить диаграмму классов для объектной модели «Объект проектирования», а также разработать соответствующую ей диаграмму объектов [1]. В качестве объекта проектирования может выступать любое изделие: печатная плата, деталь, узел, механизм, электронная схема, датчик и т. д. Варианты объектов проектирования представлены в файле Lab1.docx.

Затем необходимо спроектировать и построить диаграммы последовательностей, состояний, деятельностей и коммуникаций для описания процесса проектирования этого изделия [2]. Модели должны основываться на объектной модели «Объект проектирования», разработанной в упражнениях 1−3 лабораторной работы.

Упражнение 1. Диаграммы классов.

1.Определить набор сущностей, которые потребуются, чтобы описать структуру объекта проектирования. При этом выделить только часть, относящуюся непосредственно к процессу проектирования этого изделия.

2.Определить взаимосвязи между сущностями (пока без кратностей и других атрибутов). Обратить внимание на агрегацию и композицию: определить,

какие из сущностей не могут существовать без зависимых, а какие − могут.

3.Для некоторых (или всех) сущностей определить методы, относящиеся только к поведению в рамках данной модели.

4.Построить диаграмму классов UML, отражающую разработанную мо-

дель.

5.Сохранить результат для отчёта.

Упражнение 2. Отношения между классами.

1.Определить кратности определенных ранее связей между объектами.

2.Определить роли классов в разработанных ранее отношениях. На этом этапе может возникнуть необходимость внесения изменений в модель. Отразить изменения в модели на диаграмме.

3.В неочевидных местах добавить блоки комментариев.