Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы автоматизированного проектирования изделий и процессов. Учебное пособие
.pdf
31
1.4. Системные среды и программно-методические комплексы САПР
САПР относят к числу наиболее сложных и наукоемких
автоматизированных систем (АС). В них наряду с выполнением проектных
процедур необходимо автоматизировать также управление проектированием,
так как сам процесс проектирования становится все более сложным и
приобретает распределенный характер. Прослеживается тенденция к
интеграции САПР с системами управления предприятия и документооборота.
Для управления такими сложными интегрированными системами в их составе
имеется специальное ПО — системная среда САПР или АС.
В структуре ПО системных сред современных САПР можно выделить
следующие подсистемы:
- ядро — отвечает за взаимодействие компонентов системной среды,
доступ к ресурсам операционной системы (ОС) и сети, возможность работы в
гетерогенной среде, настройку на конкретную САПР (конфигурирование) с
помощью специальных языков расширения;
- подсистема управления проектом (подсистема сквозного параллельного
проектирования САРЕ — Computer Aided Parallel Execution) выполняет
функции слежения за состоянием проекта, координации и синхронизации
параллельно выполняемых процедур разными исполнителями, причем иногда в
отдельную подсистему выделяют управление методологией проектирования;
- подсистема управления методологией проектирования представляет
собой базу знаний, в которой содержатся такие сведения о предметной области,
как информационная модель, иерархическая структура проектируемых
объектов, описания типовых проектных процедур, типовые фрагменты
маршрутов проектирования и т. п.;
- подсистема интеграции ПО предназначена для организации
взаимодействия программ в маршрутах проектирования, состоит из: 1) ядра,
отвечающего за интерфейс на уровне подсистем, и 2) оболочек процедур,
согласующих конкретные программные модули, программы, программнометодические комплексы со средой проектирования;
- подсистема пользовательского интерфейса включает в себя текстовый и
графический редакторы и поддерживается системами многооконного
интерфейса типа Х Window System или Open Look;
- подсистема CASE (Computer Aided Software Engineering) предназначена
для адаптации САПР к нуждам конкретных пользователей, разработки и
сопровождения прикладного ПО.
В зависимости от степени автоматизации управляющих функций можно
выделить несколько уровней управления проектированием:
- компонентный — на этом уровне пользователь должен знать
специфические особенности каждой конкретной программы, используемой в
32
маршруте проектирования, при организации маршрута проектирования он
должен позаботиться об информационных интерфейсах используемых
программ, т. е. в этом случае системная среда лишь предоставляет сведения о
имеющихся программах и их интерфейсах;
- ресурсный — пользователь по-прежнему оперирует программами при
компиляции маршрута проектирования, но системная среда позволяет скрыть
специфику каждой программы, так как общение унифицировано;
- задачный — пользователь составляет маршрут проектирования не из
отдельных программ, а из отдельных проектных процедур, покрытие маршрута
программами выполняет системная среда;
- проблемный — пользователь формулирует задания в форме «что нужно
сделать», т. е. не определяет маршрут проектирования, а ставит проектную
проблему.
Программно-методический комплекс САПР — это взаимосвязанная
совокупность компонентов программного, информационного и методического
обеспечения САПР, включая, при необходимости, компоненты
математического и лингвистического обеспечения, необходимая для получения
законченного проектного решения по объекту проектирования или выполнения
унифицированной процедуры.
1.5. Системный подход к проектированию
Основной общий принцип системного подхода заключается в
рассмотрении частей явления или сложной системы с учетом их
взаимодействия. Системный подход включает в себя выявление структуры
системы, типизацию связей, определение атрибутов, анализ влияния внешней
среды.
Системный подход рассматривают как направление научного познания и
социальной политики. Он является базой для обобщающей дисциплины
«теория систем». Теория систем — дисциплина, в которой конкретизируются
положения системного подхода; она посвящена исследованию и
проектированию сложных экономических, социальных, технических систем,
чаще всего слабоструктурированных. Характерными примерами таких систем
являются производственные системы. При проектировании систем цели
достигаются в многошаговых процессах принятия решений. Методы принятия
решений часто выделяют в самостоятельную дисциплину, называемую «теория
принятия решений».
В технике дисциплину, в которой исследуются сложные технические
системы, их проектирование, аналогичную теории систем, чаще называют
системотехникой. Предметом системотехники являются, во-первых,
33
организация процесса создания, использования и развития технических систем,
во-вторых, методы и принципы их проектирования и исследования. В
системотехнике важно уметь сформулировать цели системы и организовать ее
рассмотрение с позиций поставленных целей. Тогда можно отбросить лишние и
малозначимые части при проектировании и моделировании, перейти к
постановке оптимизационных задач.
Системы автоматизированного проектирования и управления относятся к
числу наиболее сложных современных искусственных систем. Их
проектирование и сопровождение невозможны без системного подхода.
Поэтому идеи и положения системотехники входят составной частью в
дисциплины, посвященные изучению современных автоматизированных
систем и технологий их применения. Интерпретация и конкретизация
системного подхода имеют место в ряде известных подходов с другими
названиями, которые также можно рассматривать как компоненты
системотехники. Таковы структурный, блочно-иерархический, объектноориентированный подходы.
При структурном подходе как разновидности системного требуется
синтезировать варианты системы из компонентов (блоков) и оценивать
варианты при их частичном переборе с предварительным прогнозированием
характеристик компонентов.
Блочно-иерархический подход к проектированию использует идеи
декомпозиции сложных описаний объектов и соответственно средств их
создания на иерархические уровни и аспекты, вводит понятие стиля
проектирования (восходящее и нисходящее), устанавливает связь между
параметрами соседних иерархических уровней.
Ряд важных структурных принципов, используемых при разработке
информационных систем и прежде всего их ПО, выражен в объектноориентированном подходе к проектированию (ООП). Такой подход имеет
следующие преимущества в решении проблем управления сложностью и
интеграции ПО:
- вносит в модели приложений большую структурную определенность,
распределяя представленные в приложении данные и процедуры между
классами объектов;
- сокращает объем спецификаций благодаря введению в описания
иерархии объектов и отношений наследования между свойствами объектов
разных уровней иерархии;
- уменьшает вероятность искажения данных вследствие ошибочных
действий за счет ограничения доступа к определенным категориям данных в
объектах.
Описание в каждом классе объектов допустимых обращений к ним и
принятых форматов сообщений облегчает согласование и интеграцию ПО.
34
Для всех подходов к проектированию сложных систем характерны также
следующие особенности:
- структуризация процесса проектирования, выражаемая декомпозицией
проектных задач и документации, выделением стадий, этапов, проектных
процедур. Эта структуризация является сущностью блочно-иерархического
подхода к проектированию;
- итерационный характер проектирования;
- типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.
Для создания САПР текстильного предприятия, обеспечивающей
системный подход и максимальный учет особенностей ткацкого производства,
был проведен анализ алгоритма проектирования тканей, технологии и расчета
технико- экономических показателей внедрения нового ассортимента тканей,
который включает следующие этапы проектирования.
1. Выбор и обоснование сырьевого состава ткани.
2. Выбор метода проектирования ткани.
3. Проектирование ткани.
4. Технический расчет тканей.
5. Проектирование технологического режима выработки ткани.
6. Выбор и обоснование технологического оборудования.
7. Расчет паковок по всем переходам ткацкого производства.
8. Расчет количества отходов (угаров) по переходам ткацкого
производства.
9. Расчет плановых остановов технологического оборудования по всем
переходам.
10. Расчет производственной программы.
11. Оценка типа производственных зданий.
12. Разработка оптимальной схемы расстановки оборудования на
производственных площадях.
13. Расчет основных параметров транспортной системы и количества
единиц этой системы.
14. План по труду и заработной плате.
15. Баланс пряжи для всех артикулов тканей в ткацком производстве.
16. Расчет себестоимости продукции.
17. Расчет технико-экономических показателей при внедрении нового
ассортимента тканей.
Исходя из алгоритма разработки САПР текстильного предприятия и
анализа основных функций САПР и ее основных характеристик,
вышеописанный алгоритм САПР ткацкого производства может быть
реализован следующим образом:
- должны быть рационально распределены функции между ЭВМ и
проектированием. Проектирование решает в основном задачи творческого
35
характера, а ЭВМ — задачи, допускающие формализованное описание в виде
алгоритма;
- алгоритм САПР текстильного предприятия должен состоять из
отдельных программ, имеющих разные цели и функции, и
специализированного пакета программ, по возможности реализованного с
использованием однотипного программного обеспечения;
- для разработки пакета «САПР текстильного предприятия» необходимо
выбрать современное программное обеспечение, эффективное для решения
поставленной задачи, современную, хорошо известную среди пользователей
ЭВМ, язык программирования должен быть доступен и хорошо
визуализирован, чтобы все промежуточные расчеты и вычисления можно было
анализировать, не имея специальных навыков программирования;
- для создания САПР текстильного предприятия необходимо на основе
разработанных методов проектирования тканей разработать алгоритм
автоматизации проектируемой ткани, изучив степень алгоритмизации метода и
дополнив его математический аппарат, обеспечив его успешную реализацию на
ЭВМ;
- обеспечить условие многовариантности проектирования тканей и
технологий их выработки для возможности выбора оптимального решения
поставленной задачи;
- создать общую управляемую базу данных, содержащую
систематизированную справочную информацию для автоматизации
проектирования тканей и технологий их выработки (например, для всех
методов проектирования существует процедура сравнения расчетной линейной
плотности нитей с гостированной, поэтому таблица гостированных значений
линейной плотности нитей будет общей для всех методов). В данном случае это
означает, что при проектировании тканей и технологических режимов ее
выработки пользователь должен не только манипулировать исходными
данными каждой программы, но и оценивать промежуточные процедуры
проектирования и производить по его ходу необходимые манипуляции. Для
этого программа должна быть реализована на таком языке программирования,
чтобы промежуточные расчеты были визуализированы в привычной форме
записи;
- обеспечивать безбумажный процесс обработки информации, т. е. все
промежуточные расчеты должны быть записаны на машинных носителях и
могут быть при необходимости воспроизведены на экране монитора. А на
бумаге должна фиксироваться информация только в форме окончательного
решения. В данном случае это будут: результаты проектирования ткани,
технологического расчета, схема технологического процесса выработки ткани,
количество требуемого оборудования, чертежи оптимальной схемы
36
расстановки оборудования в ткацком цехе и основные технико-экономические
показатели проекта.
1.5.1. Понятие инженерного проектирования
Проектирование технического объекта — создание, преобразование и
представление в принятой форме образа этого еще не существующего объекта.
Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении
человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии
с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ. В
любом случае инженерное проектирование начинается при наличии
выраженной потребности общества в некоторых технических объектах,
которыми могут быть объекты строительства, промышленные изделия или
процессы. Проектирование включает в себя разработку технического
предложения и (или) ТЗ, отражающих эти потребности, и реализацию ТЗ в виде
проектной документации.
Стадии проектирования — наиболее крупные части проектирования как
процесса, развивающегося во времени. В общем случае выделяют стадии
научно-исследовательских работ (НИР), эскизного проекта или опытно-
конструкторских работ (ОКР), технического, рабочего проектов, испытаний
опытных образцов или опытных партий. Стадию НИР иногда называют
предпроектными исследованиями или стадией технического предложения.
Стадии (этапы) проектирования подразделяют на составные части,
называемые проектными процедурами. Проектные процедуры подразделяются
на проектные операции.
Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, и оно является
исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования, как
правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные
сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и
есть проект, точнее окончательное описание объекта. Более коротко,
проектирование — процесс, заключающийся в получении и преобразовании
исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения
комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского
характера.
Преобразование исходного описания в окончательное порождает ряд
промежуточных описаний, подводящих итоги решения некоторых задач и
используемых для обсуждения и принятия проектных решений для окончания
или продолжения проектирования.
Проектирование, при котором все проектные решения или их часть
получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют
автоматизированным, в отличие от ручного (без использования ЭВМ) или
37
автоматического (без участия человека на промежуточных этапах). Система,
реализующая автоматизированное проектирование, представляет собой систему
автоматизированного проектирования (в англоязычном написании CAD
System).
Автоматическое проектирование возможно лишь в отдельных частных
случаях для сравнительно несложных объектов и хорошо формализованных
задач. Превалирующим в настоящее время является автоматизированное
проектирование.
Проектирование сложных объектов основано на применении идей и
принципов, изложенных в ряде теорий и подходов. Наиболее общим подходом
является системный подход, идеями которого пронизаны различные методики
проектирования сложных систем.
Как известно, этапы решения проектной задачи включают в себя:
- постановку задачи проектирования изделия с заданными техническими
характеристиками и возможными их отклонениями от заданных значений;
- разработку иерархической структуры задачи;
- разработку математической модели;
- разработку программ для ЭВМ;
- отладку программ;
- проведение тестовых расчетов, позволяющих проверить
работоспособность программы;
- выполнение программы;
- анализ результатов расчета.
Анализ перечисленных этапов показывает, что первые три из них
выполняет специалист предметной области, для которой разрабатывается
САПР.
1.5.2. Основные понятия системотехники
Системотехника — это «научно-техническая дисциплина, охватывающая
вопросы проектирования, создания и эксплуатации сложных систем» [БСЭ,
т. 23, с. 477].
Основные задачи, решаемые в системотехнике:
- определение структуры системы;
- организация взаимодействия между подсистемами и элементами;
- оптимизация режимов функционирования системы;
- оптимальное управление системой и др.
В практическом плане системотехникой называют приложения теории
систем к исследованию и разработке сложных технических объектов.
Основные разделы системотехники:
38
- исследование иерархической структуры систем и общей организации их
создания;
- анализ и моделирование систем, включающее создание моделей
(modeling) и анализ свойств систем на основе исследования моделей
(simulation);
- синтез и оптимизация систем, включающая определение состава и
взаимосвязей элементов (структурный синтез) и выбор численных значений
параметров элементов (параметрический синтез).
Системотехника наиболее тесно связана с такими областями инженерной
деятельности, как исследование операций и инженерное проектирование. В то
же время, в отличие от исследования операций, объектом системотехнической
деятельности являются не только существующие, но и проектируемые системы,
а цель деятельности перестает быть внешним фактором и становится
самостоятельным объектом исследования; в отличие от инженерного
проектирования системотехника включает также предпроектные и
послепроектные фазы процесса создания и использования систем.
Системотехническая деятельность охватывает вопросы оптимальной
интеграции частей создаваемой системы в единое целое и вопросы, связанные с
введением в процесс проектирования единого организующего начала. Оно
необходимо для разрешения противоречия между необходимостью создания
единого согласованного проекта системы и участием в проектировании
большого числа специалистов.
Разрешение этого противоречия осуществляется в процессе
системотехнической деятельности, основным назначением которой является
обеспечение функционирования проектирующей системы в интересах создания
и эксплуатации эффективной проектируемой системы.
Процесс проектирования имеет иерархическую структуру, отражающую
структуру проектируемой технической системы. Каждый фрагмент этого
процесса можно представить в виде общей задачи проектирования (ОЗП),
разбиваемой на частные задачи проектирования (ЧЗП). Взаимодействие
коллективов проектировщиков, решающих частные задачи, обеспечивается
системотехником путем координации ЧЗП между собой и с ОЗП. Координация
заключается в согласованной декомпозиции общей задачи на частные задачи
проектирования и последующем согласовании результатов их решения с
позиций эффективного решения общей задачи.
Таким образом, основное содержание деятельности системотехника
связано с решением двух важнейших задач:
- обеспечение совместимости решений частных задач (представление
результатов предшествующих этапов проектирования в форме, пригодной для
продолжения проектирования);
39
- обеспечение взаимодействия коллективов проектировщиков, решающих
ЧЗП (включая определение точек пересечения отдельных подпроцессов
проектирования для согласования частных решений).
40
2. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СОЗДАНИЯ САПР
Исследование объектов проектирования с помощью их математических
моделей составляет суть системного подхода. Выделяют следующие принципы
системного подхода к проектированию сложных систем:
- иерархичность — каждая подсистема или элемент может
рассматриваться как отдельная система;
- структурность — возможность описания системы через описание
коммутационных связей между ее элементами;
- взаимозависимость — проявление свойств системы только при
взаимодействии с внешней средой;
- множественность описания — описание системы на основе множества
взаимодействующих математических моделей;
- целостность — свойства всей системы определяются на основе анализа
свойств ее частей.
Основная функция САПР — выполнение автоматизированного
проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их
составных частей. САПР объединяет технические средства, различные виды
обеспечения, параметры и характеристики которых выбирают, учитывая
особенности задачи инженерного проектирования объектов.
Функционирование САПР определяет новую прогрессивную технологию
проектирования, основанную на взаимодействии человека и ЭВМ. В
зависимости от степени участия человека и использования ЭВМ различают
режимы проектирования.
Автоматический режим проектирования осуществляется при выполнении
маршрута (последовательность этапов или проектных процедур в системе)
проектирования по формальным алгоритмам на ЭВМ без вмешательства
человека в ход решения.
Автоматизированное проектирование характеризует процесс, в котором
часть процедур в маршруте выполняется человеком. Такой режим
характеризует невысокую степень автоматизации проектирования.
Диалоговый (интерактивный) режим является более совершенным, при
нем все процедуры в маршруте выполняются с помощью ЭВМ, а участие
человека проявляется в оперативной оценке результатов проектных процедур
или операций, в выборе предложений и корректировке хода проектирования.
Если инициатором диалога является человек, то диалог называется активным.
Если прерывание вычислений происходит по командам программы, то диалог
называется пассивным
При разработке САПР решаются следующие основные задачи:
- системотехническая деятельность САПР;
41
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]