Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы автоматизированного проектирования изделий и процессов. Учебное пособие
.pdf
101
сфере, а также выявление, изобличение и привлечение к ответственности лиц,
совершивших преступления и другие правонарушения в этой сфере.
3. Разработка, использование и совершенствование средств защиты
информации и методов контроля эффективности этих средств, развитие
защищенных телекоммуникационных систем, повышение надежности
специального ПО.
4. Создание систем и средств предотвращения несанкционированного
доступа к обрабатываемой информации и специальных воздействий,
вызывающих разрушение, уничтожение, искажение информации, а также
изменение штатных режимов функционирования систем и средств
информатизации и связи.
5. Выявление технических устройств и программ, представляющих
опасность для нормального функционирования информационно-
телекоммуникационных систем, предотвращение перехвата информации по
техническим каналам, применение криптографических средств защиты
информации при ее хранении, обработке и передаче по каналам связи, контроль
за выполнением специальных требований по защите информации.
6. Сертификация средств защиты информации, лицензирование
деятельности в области защиты государственной тайны, стандартизация
способов и средств защиты информации.
7. Совершенствование системы сертификации телекоммуникационного
оборудования и ПО автоматизированных систем обработки информации по
требованиям информационной безопасности.
8. Контроль за действиями персонала в защищенных информационных
системах, подготовка кадров в области обеспечения информационной
безопасности РФ.
9. Формирование системы мониторинга показателей и характеристик
информационной безопасности РФ в наиболее важных сферах жизни и
деятельности общества и государства.
Экономические методы обеспечения информационной безопасности РФ
включают в себя:
1. Разработку программ обеспечения информационной безопасности РФ и
определение порядка их финансирования.
2. Совершенствование системы финансирования работ, связанных с
реализацией правовых и организационно-технических методов защиты
информации, создание системы страхования информационных рисков
физических и юридических лиц
3.6. Программное обеспечение САПР
102
Программное обеспечение САПР представляет собой совокупность всех
программ и эксплуатационной документации к ним, необходимых для
выполнения автоматизированного проектирования. ПО делится на
общесистемное и специальное (прикладное) ПО. Общесистемное ПО
предназначено для организации функционирования технических средств, т. е.
для планирования и управления вычислительным процессом, распределения
имеющихся ресурсов, оно представлено различными ОС. В специальном ПО
реализуется математическое обеспечение для непосредственного выполнения
проектных процедур.
К общесистемному ПО относят ОС, сетевое ПО типовых
телекоммуникационных услуг, а также сервисное ПО. Общесистемное ПО
обычно создается для многих приложений и специфику САПР не отражает.
ОС обеспечивают управление аппаратной частью компьютера и
прикладными программами, а также их взаимодействием между собой и
пользователем. Сетевое ПО, в свою очередь, обеспечивает обработку, передачу
и хранение данных в сети, а сервисное ПО служит для выполнения
вспомогательных операций обработки данных или обслуживания компьютеров
(диагностики, тестирования аппаратных и программных средств, оптимизации
использования дискового пространства, антивирусные программы,
архиваторы).
С развитием и совершенствованием ЭВМ все большее значение
приобретает такой компонент общесистемного ПО, как ОС. Возможности,
предоставляемые пользователям современными ВС, в большей степени
определяются их ОС, чем техническими устройствами. ОС организует
одновременное решение различных задач на ЭВМ, динамическое
распределение каналов передачи данных и внешних устройств между задачами,
планирование потоков задач и последовательность их решения с учетом
установленных критериев, динамическое распределение памяти
вычислительного комплекса. Однако ОС требует для своей работы
определенных ресурсов: процессора, внешней и основной памяти. Чем
большими возможностями обладает ОС, тем больше требуется для нее
ресурсов.
В настоящее время выбор среди ОС происходит преимущественно между
тремя основными операционными системами — UNIX, Windows, Novell
Netware.
Областью применения ОС UNIX остаются крупные корпоративные сети
со стеком протоколов TCP/IP. Отличительные свойства UNIX — высокая
надежность, возможность легкого масштабирования сети.
Операционная система Windows NT предназначена для работы в сетях
клиент — сервер, ориентирована преимущественно на рабочие группы и
103
средние по своим масштабам сети. ОС асимметрична — включает в себя
серверную (Windows NT Server) и клиентскую (Windows NT Workstation) части.
Операционная система Novell Netware пока сохраняет свои позиции в
небольших сетях. Состоит из серверной части и оболочек Shell, размещаемых в
клиентских узлах.
Основой системной среды является система управления проектными
данными, инструментальные средства разработки и сопровождения ПО,
интеллектуальные средства поддержки принятия проектных и управленческих
решений.
В настоящее время бурно развивается направление, связанное с
технологией создания программных продуктов. Это обусловлено переходом на
промышленную технологию производства программ, стремлением к
сокращению сроков, трудовых и материальных затрат на производство и
эксплуатацию программ, обеспечению гарантированного уровня их качества.
В рамках этих направлений сформировались следующие группы
программных продуктов:
- средства для создания приложений;
- CASE-технологии, представляющие методы анализа, проектирования и
создания программных систем и предназначенные для автоматизации
процессов разработки и реализации информационных систем. Данная
технология была описана в п. 3.5 настоящего учебного пособия
Средства для создания приложений включают в себя языки и системы
программирования, различные программные комплексы для отладки и
поддержки создаваемых программ, а также инструментальную среду
пользователя (представленную специальными средствами, встроенными в
пакеты прикладных программ, такими как библиотека функций, процедур,
объектов и методов обработки и т. д.). Системы программирования
(programming systems) включают в себя компилятор; интегрированную среду
разработчика программ; отладчик; средства оптимизации кода программ; набор
библиотек (возможно с исходными текстами программ); редактор связей;
сервисные средства (утилиты) для работы с библиотеками, текстовыми и
двоичными файлами; справочные системы; документатор исходного кода
программы; систему поддержки и управления проектом программного
комплекса. Примером известных систем программирования могут служить
Delphi, C++ Builder, VBA, поддерживающие соответственно следующие языки
программирования: Pascal, С, Basic.
Прикладное ПО представлено программно-методическими комплексами,
пакетами прикладных программ для выполнения проектных и бизнес-процедур
и пакетами прикладных программ общего назначения.
Класс пакетов прикладных программ (ППП) общего назначения наиболее
представителен, что обусловлено, прежде всего, широким применением средств
104
компьютерной техники во всех сферах деятельности человека, созданием
автоматизированных информационных систем различных предметных
областей. Кроме конечных пользователей, этими программными продуктами за
счет встроенных средств технологии программирования могут пользоваться и
программисты для создания усложненных программ обработки данных.
Представителями данного класса программных средств являются: текстовые
(например, Word), табличные (например, Excel), графические (ACDSee, Paint)
процессоры, предоставляющие пользователю инструменты для работы с
текстом, таблицами или графикой соответственно, а также программы
распознавания текстов (Fine Reader), программы-переводчики (Stylus),
программные средства мультимедиа (Windows Media) и т. д. К ППП относятся
и интегрированные пакеты программ (MS Office), содержащие в своем составе
несколько программных продуктов, функционально дополняющих друг друга,
поддерживающих единые информационные технологии. В условиях развития
глобальной информационной сети Интернет появился новый класс ПО —
браузеры, средства создания www-страниц.
В прикладном ПО, ориентированном на выполнение проектных
процедур, реализуется математическое обеспечение для непосредственного их
выполнения. Каждый пакет этих прикладных программ обслуживает
определенный этап процесса проектирования или группу однотипных задач
внутри различных этапов. Программы этого класса предназначены для
поддержания работы конструкторов и технологов, связанных с разработкой
чертежей, схем, диаграмм, графическим моделированием и конструированием,
созданием библиотеки стандартных элементов чертежей и их многократным
использованием и т. д. Данное ПО принято выделять уже в отдельный класс
специального ПО САПР, которое рассматривается далее.
Отличительной особенностью этого класса программных продуктов
являются высокие требования к технической части системы обработки данных,
наличие библиотек встроенных функций, объектов, интерфейсов с
графическими системами и БД.
В состав развитых машиностроительных САПР входят в качестве
составляющих системы CAD, САМ и САЕ.
Функции CAD-систем в машиностроении подразделяют на функции
двумерного и трехмерного проектирования. К функциям 2D относят черчение,
оформление конструкторской документации; к функциям 3D — получение
трехмерных геометрических моделей, метрические расчеты, реалистичную
визуализацию, взаимное преобразование 2D и 3D-моделей. В ряде систем
предусмотрено также выполнение процедур, называемых процедурами
позиционирования, к ним относят компоновку и размещение оборудования,
проведение соединительных трасс.
105
Среди CAD-систем различают системы нижнего, среднего и верхнего
уровней. Первые из них иногда называют «легкими» системами, они
ориентированы преимущественно на 2D-графику, сравнительно дешевы,
основной аппаратной платформой для их использования являются
персональные ЭВМ. Системы верхнего уровня, называемые также «тяжелыми»,
дороги, более универсальны, ориентированы на геометрическое твердотельное
и поверхностное 3D-моделирование; оформление чертежной документации в
них обычно осуществляется с помощью предварительной разработки
трехмерных геометрических моделей. Системы среднего уровня по своим
возможностям занимают промежуточное положение между «легкими» и
«тяжелыми» системами.
Основные функции САМ-систем: разработка технологических процессов,
синтез управляющих программ для технологического оборудования с ЧПУ
(числовое программное управление), моделирование процессов обработки, в
том числе построение траекторий относительного движения инструмента и
заготовки в процессе обработки, генерация постпроцессоров для конкретных
типов оборудования с ЧПУ, расчет норм времени обработки.
Функции САЕ-систем довольно разнообразны, так как связаны с
проектными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных
решений. В состав машиностроительных САЕ-систем прежде всего включают
программы для выполнения следующих процедур:
- моделирование полей физических величин, в том числе анализ
прочности, который чаще всего выполняется в соответствии с МКЭ;
- расчет состояний моделируемых объектов и переходных процессов в
них средствами макроуровня;
- имитационное моделирование сложных производственных систем на
основе моделей массового обслуживания и сетей Петри.
106
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ САПР
Автоматизация проектирования традиционно является одной из
эффективных задач в сфере любого производства. Сложность решения задачи
автоматизированного проектирования связана с многообразием и спецификой
конкретных предметных областей. Создание САПР-продуктов происходит в
следующих направлениях: универсальный графический пакет для плоского
черчения, объемного моделирования и фотореалистической визуализации;
открытая графическая среда для создания приложений (собственно САПР для
решения разнообразных проектных и технических задач в различных областях);
графический редактор и графическая среда приложений; открытая среда
конструкторского проектирования; САПР для непрофессионалов.
Выделяют следующие принципы проектирования САПР.
1. Принцип включения. Обеспечивает разработку систем на основе
требований, позволяющих включать эти системы в САПР наиболее высокого
уровня.
2. Принцип системного единства. При создании, функционировании и
развитии САПР связь между подсистемами должна обеспечивать целостность
всей системы.
3. Принцип развития. САПР должна создаваться и функционировать с
учетом появления, совершенствования и обновления ее подсистем и
компонентов.
4. Принцип комплексности. Обеспечивает связность процесса
проектирования элементов и объектов в целом на всех уровнях
проектирования, позволяя осуществлять согласование и контроль
характеристик элементов и объектов в целом.
5. Принцип информационного единства. Состоит в использовании в
подсистемах, компонентах и средствах обеспечения САПР единых условных
обозначений, терминов, символов, проблемно-ориентированных языков и
способов представления данных в соответствии с принятыми нормативными
документами.
6. Принцип совместимости. Языки, символы, коды, информационные и
технические характеристики, связи между подсистемами, средствами
обеспечения САПР и компонентами должны обеспечивать эффективное
функционирование подсистем и сохранять открытую структуру системы в
целом. Открытой называют систему, в которой интерфейсы взаимодействия с
внешней средой стандартизированы.
7. Принцип стандартизации. Состоит в проведении унификации,
типизации, стандартизации подсистем и компонентов, инвариантных к
107
проектным объектам и отраслевой специфике, а также установление правил с
целью упорядочивания деятельности по созданию и развитию САПР.
4.1. Модели объектов и процессов
В автоматизированных проектных процедурах вместо еще не
существующего проектируемого объекта оперируют некоторым квазиобъектом
— моделью, которая отражает некоторые интересующие исследователя
свойства объекта.
К математическому обеспечению анализа относятся математические
модели, численные методы, алгоритмы выполнения проектных процедур.
Компоненты математического обеспечения определяются базовым
математическим аппаратом, специфичным для каждого из иерархических
уровней проектирования.
На микроуровне типичные математические модели представлены
дифференциальными уравнениями в частных производных вместе с краевыми
условиями. К этим моделям, называемым распределенными, относятся многие
уравнения математической физики. Объектами исследования здесь являются
поля физических величин, что требуется при анализе прочности строительных
сооружений или машиностроительных деталей, исследовании процессов в
жидких средах, моделировании концентраций и потоков частиц в электронных
приборах и т. п.
Число совместно исследуемых различных сред (число деталей, слоев
материала, фаз агрегатного состояния) в практически используемых моделях
микроуровня не может быть большим ввиду сложностей вычислительного
характера. Резко снизить вычислительные затраты в многокомпонентных
средах можно, только применив иной подход к моделированию, основанный на
принятии определенных допущений.
Допущение, выражаемое дискретизацией пространства, позволяет
перейти к моделям макроуровня. Моделями макроуровня, называемыми также
сосредоточенными, являются системы алгебраических и обыкновенных
дифференциальных уравнений, поскольку независимой переменной здесь
остается только время t. Упрощение описания отдельных компонентов
(деталей) позволяет исследовать модели процессов в устройствах, приборах,
механических узлах, число компонентов в которых может доходить до
нескольких тысяч.
В тех случаях, когда число компонентов в исследуемой системе
превышает некоторый порог, сложность модели системы на макроуровне вновь
становится чрезмерной и переходит на функционально-логический уровень. На
этом уровне используют аппарат передаточных функций для исследования
108
аналоговых (непрерывных) процессов или аппарат математической логики и
конечных автоматов, если объектом исследования является дискретный
процесс, т. е. процесс с дискретным множеством состояний.
Наконец, для исследования еще более сложных объектов, примерами
которых могут служить производственные предприятия и их объединения,
вычислительные системы и сети, социальные системы и другие подобные
объекты, применяют аппарат теории массового обслуживания, возможно
использование и некоторых других подходов, например сетей Петри. Эти
модели относятся к системному уровню моделирования.
4.1.1. Классификация моделей
Модель может быть физическим объектом (макет, стенд) или
спецификацией. Среди моделей-спецификаций различают функциональные,
поведенческие, информационные, структурные модели. Эти модели называют
математическими, если они формализованы средствами аппарата и языка
математики.
Математические модели могут быть геометрическими, топологическими,
динамическими, логическими и т. д., если они отражают соответствующие
свойства объекта.
Математическая функциональная модель в общем случае представляет
собой алгоритм вычисления вектора выходных параметров Y при заданных
векторах параметров Х и внешних параметров Q.
Математические модели могут быть символическими и численными. При
использовании символических моделей оперируют не значениями величин, а
их символическими обозначениями (идентификаторами). Численные модели
могут быть аналитическими, т. е. их можно представлять в виде явно
выраженных зависимостей выходных параметров Y от параметров внутренних
Х и внешних Q, или алгоритмическими, в которых связь Y, X и Q задана неявно
в виде алгоритма моделирования. Наиболее точные алгоритмические модели —
имитационные — отображают процессы в системе при наличии внешних
воздействий на систему, т. е. это алгоритмическая поведенческая модель.
В зависимости от способа построения функциональные модели
подразделяются на теоретические и экспериментальные. В основе получения
теоретических моделей лежат фундаментальные физические законы: закон
сохранения массы, количества движения (импульса), энергии и т. п.
В том случае, если физическая сторона процессов неизвестна или
недостаточно изучена, получают экспериментальные математические модели
на основе изучения только входных и выходных параметров моделируемого
объекта, рассматриваемого в виде кибернетического «черного ящика».
109
Экспериментальные модели часто представляются в виде регрессионных
зависимостей.
Функциональные математические модели по форме связей между
параметрами модели разделяют на аналитические и алгоритмические.
Аналитические модели имеют форму явных функциональных зависимостей
искомых параметров от других параметров модели. В алгоритмических
моделях такая зависимость выражена неявно, она описана в виде некоторого
алгоритма (пример: алгоритм может включать в себя снятие численных
значений параметров с некоторого графика (номограммы), последующее их
использование в совместном решении трансцендентных уравнений и т. п.).
Если при получении математической модели учитываются случайные
факторы реального процесса и переменные или параметры модели носят
случайный характер, такие модели называют стохастическими. В противном
случае — детерминированными. Переменные, входящие в модель, могут
принимать отдельные изолированные значения или любые значения в пределах
определенного непрерывного интервала (соответственно дискретные и
непрерывные математические модели).
Особенности входящих в математические модели уравнений позволяют
выделить среди них линейные и нелинейные модели. В зависимости от того,
учитываются динамические процессы, т. е. процессы, изменяющиеся во
времени, в моделях, или нет, различают динамические и статистические
модели.
При проектировании сложных объектов используются функциональные
математические модели в основном следующих видов.
1. Математические модели в форме дифференциальных уравнений в
частных производных (распределенные модели). Такие модели отражают
процессы, протекающие в общем случае непрерывно в трехмерном
пространстве и во времени, т. е. в числе независимых переменных выступают
пространственные координаты и время. Модель в общем виде записывается
следующим образом:
2
2
, , , , , , ,..., 0
YY
Ф s X U V Y t
ss
=
(4.1)
где вектора: s — пространственных координат;
X — режимных и внутренних параметров;
U — управляющих параметров;
V — внешних параметров;
Y — выходных характеристик;
t — время;
Ф — оператор связи между переменными и их производными.
110
Примеры распределенных моделей:
- уравнение теплопроводности при моделировании теплотехнических,
радиоэлектронных и других устройств и металлургических и литейных
процессов, связывающее изменение температуры в пространстве и во времени
со свойствами среды;
- уравнение диффузии при формализации процессов, которые связаны с
массообменным изменением концентраций свободных носителей
электрического заряда и т. д.;
- уравнение неразрывности при моделировании задач гидродинамики,
заключающееся в определении полей скоростей, давления, плотности в
жидкости, движущейся под действием заданных внешних сил.
Распределенные математические модели чаще используются при
проектировании элементов многих технических устройств: летательных
аппаратов, турбин, компрессоров, БИС и т. п.
2. Математические модели в форме обыкновенных дифференциальных
уравнений (сосредоточенные модели). При увеличении протяженности
пространственных и временных областей объекта проектирования
распределенные модели приобретают настолько громоздкий вид, что их
решение представляет собой значительные (иногда нереализуемые)
вычислительные трудности. В этих случаях общую структуру объекта
разбивают на отдельные участки и переходят к усредненным в пределах
участка значения переменных. Модель в общем виде записывается:
, , , , , ) 0
dY
Y X U V t
dt
=
(4.2)
В частном случае модель может быть представлена в наиболее удобном
для ряда исследований виде — нормальной форме Коши:
( , , , , )
dY
F Y X U V t
dt
=
(4.3)
Сосредоточенные модели используются при проектировании различных
подсистем проектируемого сложного объекта, например тяговой станции или
редуктора для конвейера, и для решения задач, связанных с динамикой
процессов.
3. Математические модели в форме трансцендентных и алгебраических
уравнений. Применяются для анализа статического состояния объекта
проектирования. При условии dY/dt = 0 получаем в общем случае систему
трансцендентных уравнений F (Y, X, U, V, t) = 0. Иногда трансцендентные
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]