книги / Основы автоматизации проектирования в строительстве

Обеспечивающая подсистема - это комплекс средств авто­ матизации (КСА), которые создают условия для работы основной части и реализуют сам процесс автоматизации.

Структурное единство каждой из функциональных подсистем

исистемы в целом обеспечивается с помощью КСА, включающего

техническое и программно-информационное обеспечение, позво­ ляющее конкретизировать деятельность проектировщика, обеспечить систему реальными данными из предметной области проектирования

иалгоритмами обработки имеющейся информации (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Обеспечивающая подсистема САПР

§3, К о м п л е к с с р е д с т в а в т о м а т и з а ц и и

Средства автоматизации проектирования можно сгруппировать по видам обеспечения автоматизированного проектирования: тех­ нического (ТО), общепрограммного: системного (СО), информаци­ онного (ИО), математического (МО), лингвистического (ЛО), при­ кладного программного обеспечения (ППО), а также методического и организационного. При проектировании все компоненты САПР

функционируют во взаимодействии. Для пользователя аппаратные и программные средства выступают как единое целое, образуя ин­ струмент проектирования.

1. Техническое обеспечение САПР

Основу технического обеспечения составляет комплекс техни­ ческих средств (КТС): отдельные компьютеры или ЭВМ\ объеди­ ненные в локальные вычислительные сети, организационная техни­ ка, средства передачи данных, измерительные и другие устройства. Минимальный набор технических средств, позволяющий эффек­ тивно решать задачи проектирования зданий и сооружений при не­ посредственном участии человека, называют базовыми конфигура­ циями САПР.

2. Системное программное обеспечение

Под системным программным обеспечением понимается про­ граммное обеспечение (ПО), включающее в себя операционные системы, сетевое программное обеспечение, сервисные программы, средства разработки программ.

О п е р а ц и о н н а я с и с т е м а (ОС) представляет собой сис­ тему программ, предназначенных для управления физическими ре­ сурсами (оперативная память, процессор, монитор, печатающие устройства, магнитные, лазерные диски) и логическими ресурсами (программы, файлы, событиями др.), которые предназначены для управления процессами вычислительных систем. Под процессом по­ нимается некоторая последовательность действий, предписанная соот­ ветствующей программой и используемыми ею данными. В настоящее время существует большое количество ОС, разработанных для ЭВМ разных типов. Наибольшую популярность в нашей стране в настоящее время получили: MS-DOS, Windows, UNIX, Linux.

С е т е в о е программное обеспечение предназначено для управления общими ресурсами в распределенных вычислительных системах (сетевыми принтерами, накопителями на дисках, переда­ ваемыми сообщениями и т.д.). К сетевому программному обеспече­ нию откосятся ОС, поддерживающее работу в сетевой конфигурации

(СОС); отдельные сетевые программы, используемые совместно с не­ сетевой (например, MSDOS) операционной системой.

Сетевые ОС: Windows (фирмы «Microsoft»); Net Ware (фирмы «Novell») для организации одноранговых сетей.

Windows NT, Windows 2000, UNIX, Linux - для сетей с выде­ ленным файл-сервером или «клиент-сервер».

С е р в и с н ы е программы. К ним можно отнести оболочки операционных систем, утилиты.

Оболочки операционных систем модифицируют пользователь­ ский интерфейс, предоставляя пользователю качественно новый интерфейс по сравнению с операционной системой, упрощают вы­ полнение часто используемых операций: копирование, перенос, пе­ реименование, уничтожение файлов и т.п. (Norton Commander, DOS-Navigator, Windows-Commander, Xwindows и др.).

Утилиты предоставляют средства обслуживания компьютера и его программного обеспечения: магнитных дисков, файлов и ка­ талогов (Norton Utilities и др.); шифрование информации; архива­ цию (WinRar и др); защиту от компьютерных вирусов {Dr. Web, Dr.Kaspersky; и др.).

С р е д с т в а р а з р а б о т к и программ используются для разработки нового программного обеспечения как системного, так и прикладного. К ним относятся: трансляторы, редакторы связей, отладчики и т.д.

Техническое обеспечение и системное программное обеспече­ ние являются инструментальной базой САПР. Они образуют физи­ ческую среду, в которой реализуются другие виды обеспечения САПР.

3. Информационное обеспечение САПР

Информационное обеспечение (ИО) обладает наибольшей спе­ цификой САПР и включает информацию {постоянную и перемен­ ную), необходимую для реализации функциональной подсистемы. В ИО входят нормативно-справочные документы, прогнозы техни­ ческого развития, типовые проектные решения, системы классифи­ кации и кодирования технико-экономической информации, системы

документации типа ЕСКД, ЕСТД, файлы, блоки данных на машин­ ных носителях, фонды нормативные, плановые, прогнозные, типо­ вых решений, алгоритмов и программ и т.п. ИО представляет собой совокупность средств и методов построения информационной базы и подразделяется на внемашинное и внутримашинное.

Основу ИО составляет б а н к д а н н ы х (БНД) - специаль­ ным образом организованные хранилища информации. Сведения, содержащиеся в БНД, должны удовлетворять требованиям полноты и достоверности, а БНД призваны обеспечить быстрый и удобный доступ к этим сведениям.

Б Н Д - сложная информационно-программная система, функ­ ционирование которой невозможно выполнить полностью в автома­ тическом режиме. БНД состоит из одной или нескольких баз дан­ ных (БД), системы управления базами данных (СУБД). База дан­ ных составляется с учетом характеристик объектов проектирования, процесса проектирования, действующих нормативов и справочных данных. В настоящее время в САПР наметилась тенденция к созда­ нию и использованию в проектном процессе баз знаний (БЗ). Источ­ никами знаний являются: СНиПы, различные расчетные методики, утвержденные в отрасли, типовые проектные решения и т.п.

Основные задачи ИО САПР: преобразование входной инфор­ мации в требуемую выходную, удовлетворение информационных потребностей проектировщика и отдельных компонентов САПР.

Функции, реализуемые ИО САПР: сбор и хранение данных, вводимых пользователем и прикладными программами; эксплуата­ ция информационных файлов БД САПР; работа в автономном режи­ ме в качестве информационной справочной системы; выдача инфор­ мации пользователю и передача информации между прикладными программами.

При создании автоматизированных БНД одним из основных является принцип информативного единства, заключающийся в ис­ пользовании единой терминологии, условных обозначений, симво­ лов, единых проблемно-ориентированных языков, способов пред­ ставления информации, единой размерности данных физических величин, хранящиеся в БД.

Значительной трудностью и сдерживающим фактором разви­ тия автоматизированных систем в строительстве является отсутст­ вие согласия в вопросах разработки ИО и направлениях исследова­ ний, проводимых для их создания.

Общая или интегрированная БД, которую иногда называют

системой описания строительных сооружений, рассматривается некоторыми исследователями как главная часть, фокус интегриро­ ванной автоматизированной системы строительного проектирования.

Впоследнее время это мнение становится все более популярным.

Сдругой стороны, практики предпочитают более привычный подход - локальные БД, предполагающий связь между прикладны­ ми программами с помощью прямой передачи лишь необходимой информации и не предусматривающий создание общей БД. Такой подход все чаще терпит неудачу с точки зрения обеспечения про­ граммной связи различных частей проекта: архитектурно-конструк­ торской, инженерной, электротехнической и других.

4. Лингвистическое обеспечение САПР

Лингвистическое обеспечение (ЛО) САПР представляет собой совокупность языков, используемых в САПР для представления информации о проектируемых объектах, процессе и средствах про­ ектирования, которой обмениваются люди с ЭВМ и между собой в процессе автоматизированного проектирования.

ЛО САПР включает в себя: языки программирования и языки взаимодействия пользователя с САПР.

Языки п р о г р а м м и р о в а н и я . Эти языки предназначены в основном для создания программного обеспечения САПР и ис­ пользуются, как правило, разработчиками САПР. Языки програм­ мирования условно можно разделить на 4 уровня:

-машинно-ориентированные языки, предназначенные для на­ писания компактных быстродействующих программ, операционных систем (например Ассемблер)-,

- npoijedypno-ориентированные языки особенно важны для САПР, т.к. решают проблему совместимости программ для различ­ ных ЭВМ (Basic, Pascal, С и др.);

- объектно-ориентированные модульные языки программирова­ ния, отличающиеся простотой разработки интерфейса пользователя и его связи с кодом программы (Visual Basic, Visual С, Delphi и др.),*

-проблемно-ориентированные языки, отражающие сущность, а не способ реализации вычислительного процесса. Они указывают что должно быть сделано, а не как (Пролог, AutoLisp, 4GL, 5GL и др.).

Языки в з а и м о д е й с т в и я пользователя с САПР являют­ ся совокупностью трех взаимосвязанных языков: языка описания объекта, предназначенного для подготовки дайных о проектируе­ мом объекте; языка описания заданий, предназначенного для зада­ ния последовательности действий, составляющих выбранный маршрут проектирования объекта; языка отображения информа­ ции, предназначенного для формирования и отображения (на экра­ не дисплея, графопостроителе) входных, выходных и промежуточ­ ных протоколов. Под протоколом понимают ту или иную форму представления данных, требуемых в процессе или после окончания проектирования.

По своему характеру языки взаимодействия делятся на пас­ сивные и активные. Под пассивным языком понимают язык, ис­ пользуя который пользователь описывает объект проектирова­ ния, задает последовательность выполнения заданий и форму отображения информации сразу при подготовке одного этапа или нескольких этапов проектирования и ожидает результатов после выполнения последнего задания без оперативного вмешательства для исправления ошибок или изменения последовательности вы­ полнения действий. Такой режим взаимодействия пользователя

сСАПР называется пакетным.

Внастоящее время чаще всего специализированное программ­ ное обеспечение предоставляет возможность пользователю САПР осуществлять проблемно-ориентированный диалог с ЭВМ, т.е. под­ держивает интерактивный режим работы между человеком и ЭВМ.

Эффективность САПР повышается при ее функционировании

врежиме разделения времени, т.е. при обеспечении параллельного доступа к системе нескольких пользователей. Диалоговый язык взаимодействия позволяет реализовать такой режим.

Математическое обеспечение (МО) САПР представляет собой совокупность математических моделей (ММ), методов и алгорит­ мов, необходимых для выполнения АП, а также формализованных описаний проектных процедур. Эффективность и качество работы всей САПР в целом определяются уровнем разработки МО.

Математическая модель является приближенным, выражен­ ным в математических терминах, представлением объектов, кон­ цепций, систем или процессов.

Построение ММ начинается с выделения наиболее существен­ ных черт и свойств изучаемого объекта и описания его с помощью каких-либо математических соотношений. При этом ММ представ­ ляет собой компромисс между сложностью изучаемого объекта и же­ лаемой простотой его описания. Для одного и того же объекта иссле­ дования можно выбрать несколько ММ.

В качестве ММ широко используются всевозможные уравне­ ния (алгебраические - линейные и нелинейные, дифференциальные, интегральные и т.д.), неравенства, а также системы описанных вы­ ше уравнений. Параметрами ММ являются входящие в уравнения различные коэффициенты.

При проектировании строительных объектов можно выделить две основные группы процедур: анализ и синтез. Для анализа харак­ терно использование функциональных моделей, а для синтеза - использование структурных моделей.

Математические модели называют функциональными, если они отражают процессы, протекающие в объекте при его функциониро­ вании (например распределение напряжений и деформаций в кон­ струкции в зависимости от внешнего воздействия). Структурные модели отражают топологические или геометрические свойства объекта (например расчетная схема одноэтажного или многоэтаж­ ного здания).

Моделирование большинства строительных объектов можно выполнять на микро-, макро- и метауровнях, различающихся степе­ нью детализации рассматриваемых процессов в объекте.

Типичными ММ на макроуровне являются дифференциальные уравнения в частных производных, описывающие процессы в

сплошной среде с заданными краевыми условиями - краевые зада­ чи. Система уравнений, как правило, известна, но точное решение ее удается получить лишь для немногих частных случаев. Поэтому общий способ их решения, в том числе в САПР, заключается в ис­ пользовании различных приближенных моделей. В настоящее вре­ мя наиболее широкое распространение получили модели на основе численных методов: метода конечных элементов (МКЭ), метода конечных разностей (МКР) и модели на основе интегральных урав­ нений —метода граничных элементов (МГЭ), применение которого позволяет, в частности, на единицу понижать размерность решае­ мых задач. Применение метода сеток позволяет свести дифферен­ циальную краевую задачу к системе алгебраических (линейных или нелинейных) уравнений, относительно неизвестных узловых значе­ ний функции.

При моделировании на макроуровне в технических системах выделяются достаточно крупные элементы, которые в дальнейшем рассматриваются в виде неделимой единицы. Чаще всего непре­ рывной независимой переменной остается только время.

ММ системы на макроуровне получают объединением компо­ нентных и топологических уравнений.

Компонентные уравнения описывают законы функционирова­ ния каждого элемента системы и связывают разнородные фазовые переменные, относящиеся к данному элементу (например, переме­ щения и внутренние усилия в задачах статики, поток и потенциал в задачах расчета температур). Компонентные уравнения могут быть линейными или нелинейными, алгебраическими, обыкновенными дифференциальными или интегральными. Компонентные уравне­ ния получают для каждого элемента системы на микроуровне.

Топологические уравнения в большинстве физических систем базируются на уравнениях равновесия и уравнениях непрерывности и относятся к разным элементам системы. Пользователь САПР не­ посредственно вопросов, связанных с получением топологических уравнений, не касается, ему достаточно уметь представить объект в виде эквивалентной (расчетной) схемы. Знание алгоритмов автома­ тического получения топологических уравнений необходимо разра­ ботчику САПР и квалифицированному пользователю, пополняю­ щему библиотеку моделей программного комплекса.

Моделирование на метауровне применяется в основном к объ­ ектам, являющимся предметами исследования теории автоматиче­ ского управления, и объектам, моделируемым как системы массо­ вого обслуживания.

Только после построения ММ можно воспользоваться матема­ тическими методами для ее изучения и решения.

Применение методов зависит от свойств объектов проектиро­ вания и характера решаемых задач. С методами связаны алгоритмы решения задач (алгоритм принятия решения, алгоритм анализа, вспомогательные алгоритмы).

6. Методическое обеспечение

Методическое обеспечение - это совокупность методических материалов, документов, способствующих разработке и функцио­ нированию САПР. Прохождение проекта в САПР характеризуется логической схемой процесса автоматизированного проектирования, определяющей порядок и правила принятия проектных решений в ходе разработки нового объекта. Разработка методического обеспе­ чения должна предварять создание других компонентов обеспечи­ вающей части.

7. Организационное обеспечение

Организационное обеспечение - это совокупность средств и методов, предназначенных для проведения технико-экономического анализа существующей системы проектирования и технологии строительства. Включает положения, приказы, штатное расписание, квалификационные требования и другие документы, регламенти­ рующие задачи, организационную структуру подразделений про­ ектной организации и их взаимодействие при эксплуатации САПР, ответственность должностных лиц, порядок подготовки и перепод­ готовки пользователей.

Функции организационного обеспечения: выбор направлений совершенствования процесса проектирования; формулировка тре­ бований к комплексу технических средств; выбор и постановка задач; внедрение новых методов решения задач.