1.5. Функциональная структура системы автоматизированного проектирования

Основная концепция автоматизированного проектирования состоит в том, чтобы рассматривать САПР как системный инструмент для использования во многих областях и относиться к опыту, программам, вычислительной технике как к методам.

САПР – это совокупность методов, средств и автоматизированных специализированных рабочих мест, необходимых для создания объектов заданного класса. САПР как система включает в себя:

- технические средства (обязательно ЭВМ);

- системное программное обеспечение;

- систему управления базами данных;

- самого проектировщика.

Упрощенно САПР означает проектирование с помощью ЭВМ.

Основной задачей организации САПР является недопустимость переноса пороков организации проекта в готовый объект – это нечеткое определение требований, недоработка проектных решений, отсутствие оптимизационных расчетов и т.д.

Основные цели САПР:

1. Повышение качества проектно-технической документации.

2. Проработка на ранней стадии проектирования нескольких альтернативных вариантов проектов.

3. Проведении оперативной оценки технических, технологических и экономических характеристик проектируемого объекта.

4. Уменьшение сроков проектирования объектов.

5. Сокращение сроков строительства и ввода в эксплуатацию готовых объектов.

6. Обеспечение управления качеством готовой продукции, закладываемое в структуру проекта.

7. Повышение экономических показателей функционирования запроектированных предприятий.

ИО – информационное обеспечение – совокупность сведений, необходимых для выполнения проектирования.

МО – математическое обеспечение – мат. модели, методы и алгоритмы для решения проектных задач.

ПрО – программное обеспечение - совокупность программ для реализации автоматизированного проектирования.

ЛО – лингвистическое обеспечение – совокупность языковых средств, используемых в САПР.

МтО и ОрО – методическое и организационное обеспечение – совокупность документов, устанавливающих состав и правила функционирования средств САПР и подразделений проектного предприятия.

К техническому обеспечению САПР предъявляются следующие требования:

1) удобство использования инженерами – проектировщиками, возможность оперативного взаимодействия инженеров с ЭВМ;

2) достаточная производительность и объем оперативной памяти ЭВМ для решения задач всех этапов проектирования за приемлемое время;

3) возможность одновременной работы с техническими средствами необходимого числа пользователей для эффективной деятельности всего коллектива разработчиков;

4) открытость КТС для расширения и модернизации системы по мере прогресса техники;

5) высокая надежность, приемлемая стоимость и т.д.

Такое техническое обеспечение называют комплексом технических средств САПР (КТС САПР).

Подходы, в которых САПР рассматривается как методологическая наука, в основном мотивировались практическими потребностями активизации промышленного проектирования. Это нашло выражение в рассмотрении САПР как комплекса вычислительных средств (программного обеспечения и техники), на основе которых стали формироваться системы для решения проектных задач и комплексы системных методов для их стыковки. Одним из определений САПР, которое может быть выведено на основе такого подхода, является следующее: САПР – есть объединение соответствующей вычислительной техники и модулей программного обеспечения с целью решения проектных задач в конкретной области приложения.

В соответствии с этим определением САПР есть программно-машинный комплекс, состоящий из технических средств, системного и прикладного математического обеспечения и средств ведения диалога.

Другой более академический подход к определению автоматизированного проектирования состоит в рассмотрении всех аспектов проектирования, включая социальную, экономическую и техническую деятельность, и в применении фундаментальных основ системного анализа для локализации и определения роли этой деятельности в общем комплексе промышленно развитого общества. Первоочередное внимание при таком подходе уделяется процессам принятия решения, ведущих к выбору частных объектов проектирования, определению факторов, влияющих на принятие этих решений, и выявлению законов, определяющих влияние этих факторов друг на друга. В соответствии с этим подходом САПР можно определить следующим образом: САПР – есть средство оптимизации принятия решений путем обобщения созидательной активности и создания некоторой синтетической теории проектирования, положения которой могут быть воплощены в конкретных программах.

Приведенные определения САПР, по существу, характеризуют их целевое назначение. Первое относится к конкретной области приложения. Так, в соответствии с общеотраслевыми руководящими методическими материалами по созданию САПР, последняя определяется как «организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации, и выполняющая автоматизированное проектирование». При этом под комплексом средств автоматизации понимается совокупность средств методического, программного, технического, информационного и организационного обеспечения. Что касается второго определения САПР, то оно в большей степени ориентирует на развитие систем, способных решать проблемы на уровне искусственного интеллекта.

Исходя из традиционной практики проектирования можно выделить четыре этапа, выполняемых с использованием ЭВМ в той или иной степени. Эти этапы отражают не только сложность решения задачи разработки проекта, но и его итерационный характер. Естественно, при конкретной реализации САПР функции этапов могут перераспределяться или объединяться в зависимости от исходной концепции разработки системы.

Концептуальное проектирование – связано с определением потребности в продукции на основании рыночных данных, промышленности, планового развития отрасли и т.д. и включает процессы разработки и принятия решений, ведущих к описанию проекта в общих чертах. На этом этапе основное внимание уделяется анализу ранее известной аналогичной или конкурирующей продукции, анализу патентов, стандартов, оценке источников сырья, рынков сбыта. Для этого должны быть средства для проведения предварительных вычислений с целью проверки осуществимости идеи, получения предварительных экономических оценок и т.д. Этот этап является самым ответственным, поскольку основывается на современном уровне развития технологии, состоянии научных разработок, прогнозирующей силе проектировщика. Для получения реалистических оценок САПР должна обладать интеллектуальными свойствами, адекватно отображать предметную область. Функции этапа, по существу, состоят в разработке задания на проектирование.

Проектный анализ – связан с явным (физическим) или модельным анализом предложенной схемы получения продукции. Здесь требуется точное определение топологии объекта, параметров сырья и выходной продукции, источников энергии и т.д. Чаще всего физическая реализуемость идеи проверяется на основании аналогов производства или экспериментальных лабораторных исследований. Эти данные являются базовыми для формирования технологической (принципиальной) схемы производства. Однако многовариантность ее реализации не позволяет априори сделать оптимальный выбор без использования ЭВМ. Дороговизна и сложность экспериментального обследования диктуют настоятельную необходимость выбора технологической схемы методом математического моделирования. На этом этапе во многих случаях эффективным является наличие возможности непосредственного изменения схемы в интерактивном режиме, так как исключается анализ заведомо нереализуемых вариантов. Этот этап можно интерпретировать как предварительную проработку проекта.

Детальное проектирование – состоит в проектировании всех аппаратов и установок, необходимых для производства продукции. Определяются конструкционные характеристики оборудования, взаимосвязи между отдельными стадиями производства, оцениваются возможности вторичного использования энергетических потоков, т.е. формируется окончательный вариант технологической схемы, удовлетворяющий требованиям замкнутости энергетических и материальных потоков. Два последних этапа проектирования тесно взаимосвязаны и часто выполняются как один, особенно при ограниченном количестве вариантов технологических схем. Дело в том, что проектный анализ в силу многовариантности задачи обычно выполняется по упрощенным математическим моделям единиц оборудования и, таким образом, имеет основной целью расчет материальных и энергетических потоков схемы. Однако в этом случае имеется вероятность потери оптимального варианта вследствие приближенного характера используемых моделей, т.е. неучета «тонкостей» проекта. Диалоговый или интерактивный режим выполнения проектного анализа позволяет на основе опыта специалиста-технолога сделать выбор в пользу того или иного варианта, однако не гарантирует получение именно оптимального. Поэтому целесообразнее выполнять этот этап по точным моделям отдельных процессов, предварительно сократив область поиска на основании, например, анализа физико-химических и других свойств сырья, эвристических правил, промежуточных результатов, экономических оценок и т.д.

Подготовка проектной документации – состоит в увязке разработки предыдущих стадий в виде выходной документации. В интегрированных системах проектирования этот этап включает создание систем управления производством, обработку коммерческой информации, оценку перспектив производства.

Выделенные этапы проектирования, очевидно, не являются строго последовательными в процессе разработки проекта. От каждого из них может потребоваться возврат на предыдущие этапы для уточнения или изменения данных или частных решений. Только документация является фактическим итогом выполнения всех этапов.

Точность решения задач на каждом из выделенных этапов определяется совершенством математического обеспечения. Большинство моделей отдельных процессов в настоящее время разработано в проверочном варианте и предполагает широкое использование экспериментальных данных для уточнения отдельных параметров. Таким образом, проектирование, в соответствии с выделенными этапами, можно рассматривать как многократное моделирование при различных наборах вводных параметров, изменении топологии производства и режимных параметров отдельных моделей для поиска их оптимального сочетания. Отсутствие экспериментальных данных для уточнения параметров отдельных моделей лишь увеличивает затраты машинного времени, поскольку расчет будет производиться при изменении корректирующих параметров модели в некотором диапазоне.

Итак, создание САПР должно проводиться на основе комплексного рассмотрения проблемы проектирования путем решения, по крайней мере, трех взаимосвязанных задач:

а) исходя из принципов системного анализа, разработать иерархическую структуру проектируемого производства (группы производств), отражающую адекватно свойства последнего и вскрывающую причинно-следственные отношения между отдельными явлениями и стадиями (по существу, декомпозиция проблемы);

б) на единой методологической основе разработать и систематизировать математические модели отдельных элементов технологической схемы, математическое обеспечение диалогового взаимодействия;

в) разработать принципы построения и структуру САПР, отвечающей современному уровню развития вычислительной техники и прикладного математического обеспечения.