2378

различают задачи одно- и многокритериальные. По степени неопределенности различают ЗПР детерминированные, ЗПР в условиях риска - при наличии в формулировке задачи случайных параметров, ЗПР в условиях неопределенности, т. е. при неполной или недостоверной исходной информации.

Реальные задачи проектирования, как правило, являются многокритериальными. Одна из основных проблем постановки многокритериальных задач - установление правил предпочтения вариантов. Способы сведения многокритериальных задач к однокритериальным и последующие пути решения изучаются в дисциплинах, посвященных методам оптимизации и математическому программированию.

Наличие случайных факторов усложняет решение ЗПР. Основные подходы к решению ЗПР в условиях риска заключаются или в решении «для наихудшего случая», или в учете в целевой функции математического ожидания и дисперсии выходных параметров. В первом случае задачу решают как детерминированную при завышенных требованиях к качеству решения, что является главным недостатком подхода. Во втором случае достоверность результатов решения намного выше, но возникают трудности с оценкой целевой функции. Применение метода МонтеКарло в случае алгоритмических моделей становится единственной альтернативой и, следовательно, для решения требуются значительные вычислительные ресурсы,

Существуют две группы ЗПР в условиях неопределенности. Одна из них решается при наличии противодействия разумного противника. Такие задачи изучаются в теории игр, для задач проектирования в технике они не характерны. Во второй группе противодействие достижению цели оказывают силы природы. Для их решения полезно использовать теорию и методы нечетких множеств.

Например, при синтезе структуры автоматизированной системы постановка задачи должна включать в качестве исходных данных следующие сведения:

• множество выполняемых системой функций (другими словами, множество работ, каждая из которых может состоять из одной или более операций); возможно, что в этом множестве имеется частичная упорядоченность работ, что может быть представлено в виде ориентированного графа, в котором вершины соответствуют работам, а дуги - отношениям порядка;

•типы допустимых для использования серверов (машин), выполняющих функции системы;

•множество внешних источников и потребителей информации;

•во многих случаях задается также некоторая исходная структура системы в

виде взаимосвязанной совокупности серверов определенных типов; эта структура может рассматриваться как обобщенная избыточная или как вариант первого приближения;

• различного рода ограничения, в частности, ограничения на затраты материальных ресурсов и (или) на времена выполнения функций системы.

Задача заключается в синтезе (или коррекции) структуры, определении типов серверов (программно-аппаратных средств), распределении функций по серверам

13

таким образом, чтобы достигался экстремум целевой функции при выполнении заданных ограничений.

Конструирование, разработка технологических процессов, оформление проектной документации - частные случаи структурного синтеза.

Задачу параметрического синтеза называют параметрической оптимизацией (или оптимизацией), если ее решают как задачу математического программирования

extrF(X), X Dx,

где F(X) - целевая функция; Х - вектор управляемых (называемых также проектными или варьируемыми) параметров; Dx = {X | (Х) < 0, (X) = 0} -допустимая область; (Х) и (X) - функции-ограничения.

Рис.1.1 Классификация проектных процедур

Следующая после синтеза группа проектных процедур - процедуры анализа. Цель анализа - получение информации о характере функционирования и значениях выходных параметров Y при заданных структуре объекта, сведениях о внешних параметрах Q и параметрах элементов X. Если заданы фиксированные значения параметров Х и Q, то имеет место процедура одновариантного анализа, которая сводится к решению уравнений математической модели, например, такой, как модель (1), и вычислению вектора выходных параметров Y. Если заданы статистические сведения о параметрах Х и нужно получить оценки числовых характеристик

14

распределений выходных параметров (например, оценки математических ожиданий и дисперсий), то это процедура статистического анализа. Если требуется рассчитать матрицы абсолютной А и (или) относительной В чувствительности, то имеет место задача анализа чувствительности.

Элемент Аji матрицы А называют абсолютным коэффициентом чувст-

вительности, он представляет собой частную производную j-го выходного параметра уj по i-ому параметру хi. Другими словами Аji, является элементом вектора градиента j-го выходного параметра. На практике удобнее использовать безразмерные относительные коэффициенты чувствительности Вji характеризующие степень влияния изменений параметров элементов на изменения выходных параметров:

Вji= Аji

где хiном и уiном - номинальные значения параметров хi и уi соответственно.

В процедурах многовариантного анализа определяется влияние внешних параметров, разброса и нестабильности параметров элементов на выходные параметры. Процедуры статистического анализа и анализа чувствительности - характерные примеры процедур многовариантного анализа.

Детерминированная верификация может быть направлена на выявление соответствия структур объектов, заданных двумя различными описаниями (структурная верификация), или значений выходных параметров (параметрическая верификация). Параметрическая верификация может выполняться по полной совокупности параметров или по их части, в последнем случае различают верификацию статическую, динамическую, в частотной области.

2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

Методика разработки САПР.

Создание систем автоматизированного проектирования — сложная научнотехническая проблема. Ее решение сопровождается большими затратами времени и средств. Так, затраты средств на создание одной САПР в среднем составляют несколько миллионов рублей. Трудоемкость разработки ПО для САПР машиностроительного или приборостроительного предприятия оценивается сотнями — тысячами человеко-лет. В общем цикле проектирования САПР большое значение имеют научно-исследовательские работы, связанные с разработкой моделей, методов, алгоритмов автоматизированного проектирования, поиском путей их эффективной реализации. Значительное место в проектировании САПР занимает процедуры разработки программно-методических комплексов.

15

Уровни и аспекты разработки САПР.

Условия, в которых создаются конкретные САПР, разнообразны, потому существует ряд вариантов методик разработки САПР. Содержимое методики, сроки и затраты на проектирование и создание САПР зависят от того, насколько радикальны преобразования проектной организации при переходе на автоматизированный стиль проектирования. Эволюционный путь внедрения автоматизированного проектирования (АП) подразумевает постепенный ввод в эксплуатацию вычислительных мощностей, длительное сосуществование неавтоматизированных и автоматизированных способов проектирования, сохранение в формах документов, инструкциях, штатных расписаниях особенностей и черт неавтоматизированного выполнения проектных процедур. Следствием такого подхода является то, что недостатки традиционного неавтоматизированного проектирования (низкая производительность труда проектировщиков и чрезмерные сроки проектирования) сказываются неопределенно долгое время. Оправданием для использования эволюционного пути могут быть только трудности радикальных преобразований, связанные с необходимостью больших затрат на создание САПР и недостаточной подготовленностью инженерных кадров к работе в САПР. Надо также учитывать, что методология АП развита в должной мере не во всех предметных областях и отраслях промышленности.

Система автоматизированного проектирования — сложная техническая система и ее проектирование должно основываться на блочно-иерархическом подходе. Основные аспекты проектирования САПР — аппаратный и программный. В большинстве случаев техническое обеспечение САПР компонуется из серийно выпускаемых промышленностью ЭВМ, периферийных устройств и сетевого оборудования.

Аппаратный аспект проектирования в основном связан с решением задач обоснованного выбора компонентов ТО и синтеза структуры вычислительных сетей и комплексов САПР, возможно также проектирование оригинальных средств - специализированных ЭВМ или процессоров отдельных проектных процедур с использованием заказных или полузаказных БИС и СБИС. Проектирование специализированных средств выполняется в рамках нескольких иерархических уровней, аналогичных уровням проектирования ЭВМ и БИС.

Программный аспект проектирования связан с выбором или разработкой общесистемного, базового и прикладного программного обеспечения. В большинстве случаев проектирование общесистемных и базовых программных средств сводится к выбору подходящих операционных систем, трансляторов с языков программирования, базовых пакетов машинной графики и т. п. из числа ранее созданных и поставляемых предприятиями — изготовителями ЭВМ и АРМ или специализированными предприятиями по разработке программных средств. Большинство программно-методических комплексов, отражающих специфику проектирования конкретных объектов и относящихся к прикладному программному обеспечению, среди ранее созданных, как правило, отсутствует и разрабатывается заново.

16

Разработка ПМК ведется также на основе блочно-иерархического подхода с выделением рассмотренных выше уровней системного, прикладных программ и подпрограмм. Существенная особенность разработки ПМК САПР — отсутствие в большинстве случаев априорно заданного МО. Поэтому создание ПМК включает:

формирование ММ для элементов проектируемых систем; выбор методов анализа или синтеза; разработку алгоритмов проектных операций и процедур. При проектировании ПМК решаются также задачи создания языков проектирования, баз знаний и данных.

Таким образом, проектирование САПР включает несколько иерархических уровней. На верхнем системном уровне разрабатываются структуры технического и программного обеспечения исходя из данных по номенклатуре и объему проектных работ, маршрутам проектирования, перспективам развития отрасли. На последующих иерархических уровнях создаются оригинальные ПМК и специализированные технические средства по ТЗ, сформулированным на системном уровне.

Этапы создания проекта САПР.

Рассмотрим этапы синтеза структуры САПР, выполняемые на системном уровне.

Этап 1 — сбор данных о содержании и объемах проектных работ. Выясняются классы проектируемых объектов, интенсивность поступления заявок на проектирование, размерности проектных задач в момент проектирования САПР и с учетом прогнозов на будущее.

Этап 2 — построение маршрутов проектирования. Номенклатура проектируемых объектов может быть достаточно широкой, поэтому желательно индивидуальные маршруты объединять в один или несколько обобщенных маршрутов. Каждый обобщенный маршрут представляет собой описание последовательности проектных процедур с возможными разветвлениями. Должны быть сформулированы условия разветвлений. Например, в обобщенном маршруте проектирования БИС содержание и состав ряда проектных процедур оказываются различными для разных типов БИС (памяти, микропроцессоров, ПЛМ, полузаказных на базовых матричных кристаллах, заказных). Поэтому в маршруте проектирования БИС будут соответствующие разветвления, выбор ветви происходит по истинности некоторого предиката. Например, ТИП БИС=Аi, где Ai — признак i-й ветви, ТИП БИС задается в ТЗ. При разработке маршрутов проектирования устанавливается не только последовательность выполнения проектных процедур, но и основные информационные связи между процедурами, а также между процедурами и внешней средой. Принимаются предположения о том, какие из этих связей будут осуществляться через посредство БД. С учетом того, что база данных может быть разделена на интегрированную, локальные и оперативные, желательна конкретизация типов БД, с которыми процедуры взаимодействуют.

Этап 3 — установление зависимостей между характеристиками проектируемых объектов, размерностями их моделей и затратами вычислительных ресурсов

17

для каждой проектной процедуры. Затраты ресурсов могут оцениваться количеством условных операций и объемом требуемой памяти. При получении таких зависимостей трудно учесть ряд факторов, определяемых лишь при последующем проектировании, поэтому зависимости сугубо приближенные часто имеют статистический характер. Зависимости затрат вычислительных ресурсов от характеристик проектируемого объекта и производительности ЭВМ, как правило, привязываются к описаниям соответствующих программ или математических методов. Примером может служить зависимость затрат машинного времени Тм при разработке тестов вероятностным методом:

Тм=Кn3/Б, где К — среднее количество операций, выполняемых при однократном обращении к модели логического элемента, n — число логических элементов в схеме, Б — быстродействие ЭВМ. При использовании ускоряющих приемов событийного или параллельного моделирования значение коэффициента К устанавливается по статистическим данным.

Этап 4 — определение структуры технического обеспечения САПР. Производится выбор одно-, двухили трехуровневой структуры типа локальной вычислительной сети, распределение функций управления и распределение базы данных по уровням структуры или узлам сети, выбор семейств ЭВМ для каждого из уровней. При выборе учитываются приближенные оценки трудоемкости выполнения планируемых проектных работ, имеющийся опыт предприятия по использованию вычислительной техники. Уточняется структура базы данных — ее разделение на интегрированную, локальные и оперативные составляющие.

Этап 5 — выбор ПМК, формулировка заданий на модернизацию существующих или разработку новых ПМК и их компонентов. При выборе используются каталоги программных средств, поставляемых из фондов алгоритмов и программ, имеющиеся средства е САПР данной или родственных отраслей. Исследуются возможности адаптации существующих ПМК к условиям применения в проектируемой САПР. При отсутствии подходящих программных средств формулируются ТЗ на разработку оригинальных программ, пакетов программ или ПМК. Устанавливаются требования к эффективности разрабатываемых программных средств исходя из прогнозов эффективности предполагаемого МО. Если прогнозируемая эффективность недостаточна, то рассматривается вопрос о возможности реализации соответствующих проектных процедур аппаратными средствами. Если принимается решение об использовании специализированных аппаратных средств, то формулируются ТЗ на их разработку.

Этап 6 — распределение проектных процедур и операций по узлам вычислительной сети или по уровням комплекса технических средств. Другими словами, производится отображение структуры маршрутов проектирования на структуру технического обеспечения.

Этап 7 — оценка количества оборудования. Используя оценки параметров программно-технических комплексов, полученные на этапах 4 и 5, можно рассчитать по зависимостям, выявленным на этапе 3, потребности в вычислительных ре-

18

сурсах, обеспечивающих варианты одного проекта для каждого класса проекти-

руемых объектов. Эти потребности пересчитываются в общие потребности для удовлетворения всего потока заявок на проектирование с учетом данных, полученных на этапе 1. Результаты расчетов позволяют установить количество единиц оборудования тех типов, которые выбраны на этапе 4. Другими словами, на этом этапе устанавливаются потребные количества ЭВМ, входящих в многомашинный ЦБК, автоматизированных рабочих мест, мини и микроЭВМ в ИГК.

Этап 8 — выбор структуры и метода доступа к вычислительной сети. На этом этане выбираются способы связи ЭВМ и рабочих мест между собой с учетом данных, полученных на предыдущих этапах и касающихся интенсивностей связей узлов и уровней САПР между собой.

Этап 9 — составление модели, имитирующей функционирование САПР. Структура модели определяется результатами этапов 2, 4, 6, 7, 8. Технические средства САПР отображаются в модели в виде обслуживающих аппаратов, выполняемые проекты — в виде заявок, маршруты проектирования — в виде путей прохождения заявок между обслуживающими аппаратами и узлами сетевой имитационной модели (СИМ). Генерируемые заявки имеют параметры, характеризующие тип и сложность проектируемого объекта. Интенсивность генерации заявок определяется данными, получаемыми на этапе I. Времена обслуживания в устройствах задаются в СИМ с учетом параметров обслуживающих аппаратов, соответствующих данным этапов 4 и 5, и параметров приходящих заявок. В СИМ отображается также некоторая дисциплина обслуживания заявок, характеризующая очередность выполнения работ в подразделениях предприятия. Модель выражается на одном из языков имитационного моделирования.

Этап 10 — выполнение численных экспериментов с СИМ и корректировка проекта САПР по их результатам. Результатами моделирования являются оценки производительности САПР, сроков выполнения проектов, коэффициентов загрузки оборудования, длин очередей и т. п. для выбранной структуры САПР и дисциплины обслуживания. Следовательно, определяется степень правильности решений, принятых на этапах 4 ... 8, и приемлемость принятой дисциплины обслуживания, выявляются «узкие места» проекта. По этим результатам вносятся изменения в проект САПР, при необходимости повторяется процедура верификации путем численного экспериментирования с имитационной моделью.

Этап 11 — технико-экономический анализ проекта, его оформление и утверждение. Определяется стоимость реализации проекта, если она превышает заданное значение, то принимаются решения по уменьшению числа единиц оборудования в САПР, по отказу от проектирования оригинальных программнометодических комплексов с рассмотрением возможности адаптации существующих комплексов. Возможен переход на эволюционный путь реализации проекта с сохранением неавтоматизированных способов выполнения некоторых процедур и т. п. При этом вновь возвращаются к этапам 9 и 10 с целью оценки производительности САПР ограниченной стоимости.

19

мации, технические средства машинной графики, аппаратура для связи технических средств между собой и с пользователями САПР. К техническому обеспечению САПР относят также средства организационной техники, различное измерительное оборудование для получения данных, используемых при проектировании.

Математическое обеспечение - совокупность математических моделей, методов, алгоритмов для решения задач автоматизированного проектирования. Математическое обеспечение реализуется в программном обеспечении САПР.

Программное обеспечение - совокупность программ, представленных в заданной форме, вместе с необходимой программной документацией, предназначенная для использования в САПР.

Лингвистическое обеспечение - совокупность языков, используемых в САПР для представления информации о проектируемых объектах, процессе и средствах проектирования, которой обмениваются люди с ЭВМ и между собой в процессе автоматизированного проектирования.

Информационное обеспечение - документы, содержащие описания стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, комплектующих изделий, материалов и другие данные, а также файлы и блоки данных на магнитных носителях с записью указанных документов.

Методическое обеспечение - документы, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизированного проектирования. Иногда понятие методического обеспечения расширяют, включая в него лингвистическое и математическое обеспечения.

Организационное обеспечение - положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений проектного предприятия и их взаимодействие с комплексом средств автоматизированного проектирования.

Подсистемы САПР

При проектировании все компоненты САПР функционируют во взаимодействии. Для пользователя аппаратные и программные средства выступают как единое целое, образуя инструмент проектирования. Этот инструмент сложен и неоднороден, в нем можно выделить отдельные структурные единицы: комплексы программно-методические (ПМК) и программно-технические (ЛТК), подсистемы САПР.

Программно-методический комплекс - взаимосвязанная совокупность некоторых частей программного, методического и информационного обеспечения, необходимая для получения законченного проектного решения по объекту проектирования или для выполнения определенных унифицированных процедур. Поскольку в программном обеспечении с необходимостью реализуется математическое и лингвистическое обеспечение, соответствующие части математического и лингвистического обеспечения целесообразно считать компонентами ПМК. Например, выделяют ПМК оформления документации, синтеза проектных решений, моделирования и т. п. Известно большое число ПМК, тиражируемых и применяе-

21

мых во многих организациях, например ПМК РАПИРА и ПРАМ, созданные для проектирования РЭА.

Программно-технический комплекс - взаимосвязанная совокупность про- граммно-методических комплексов, объединенных по некоторому признаку, и средств технического обеспечения САПР. Понятие ПМК относится к программным средствам, а понятие ПТК - к вычислительным системам, объединяющим аппаратные и программные средства и предназначенным для применения в САПР. Примерами ПТК могут служить автоматизированные рабочие места, включающие в себя ЭВМ, комплект периферийных устройств и ряд ПМК для выполнения проектных маршрутов и процедур.

Программно-методический и программно-технический комплексы представляют собой промышленный продукт, разрабатываемый, изготовляемый и поставляемый для создания или развития САПР на предприятиях заказчиков.

В конкретных САПР предприятий можно выделить несколько подсистем, каждая из которых выполняет определенные функции.

Подсистема САПР - это составная структурная часть САПР, обладающая всеми свойствами системы и являющаяся самостоятельной системой. Подсистемы САПР могут быть проектирующими или обслуживающими. Первые из них непосредственно участвуют в выполнении проектных процедур, а вторые обеспечивают правильное функционирование первых. По степени универсальности подсистемы делятся на объектные, ориентированные на определенный класс проектируемых объектов, и на инвариантные - не связанные с какими-либо конкретными типами объектов. Типичные проектирующие подсистемы в САПР ЭВМ - подсистемы функционально-логического и конструкторского проектирования. Примером объ- ектно-ориентированной подсистемы является подсистема конструкторского проектирования КМДП БИС, примером инвариантной подсистемы - подсистема параметрической оптимизации методами нелинейного программирования. Основные обслуживающие подсистемы: управляющая (мониторная) система САПР и система управления базами данных. Промежуточное положение между проектирующими и обслуживающими подсистемами в большинстве САПР занимает подсистема машинной графики.

Понятие подсистемы САПР близко к понятию программно-технического комплекса САПР, однако имеются и отличия. Одна подсистема может при своем функционировании занимать ресурсы более чем одного НТК. Так, задачи размещения и трассировки при небольшой размерности могут выполняться на АРМ (автоматизированное рабочее место), а при большой размерности - в центральном вычислительном комплексе САПР. В подсистеме могут использоваться один или несколько ПМК, причем в процессе совершенствования подсистемы те или иные ПМК заменяются новыми с улучшенными характеристиками.

22