Розділ 1 Аналіз складних об’єктів та систем

1.1 Загальна характеристика проблем автоматизації проектування.

Передумови появи системи автоматизованого проектування (САПР).

Сучасний етап науково-технічної революції характеризується поряд об'єктивно існуючих закономірностей, що роблять помітний вплив на темпи науково-технічного прогресу. Ці закономірності можна проілюструвати наступними кількісними показниками розвитку техніки в провідних галузях промисловості:

- число різних класів технічних систем подвоюється в середньому через кожних 10 років;

- складність виробів по числу деталей і вузлів зростає в два рази через 15 років;

- об'єм науково-технічної інформації, використовуваної в конструкторських розробках, подвоюється за кожних 8 років.

Знаряддями праці конструкторів-проектувальників впродовж багатьох десятиліть залишалися олівець, папір, гумка, кульман, лекала, довідники, логарифмічна лінійка або в кращому разі арифмометр. Так за усередненими даними в технічно розвинених країнах за період з 1900 по 1960 рр. продуктивність праці у сфері виробництва зросла приблизно на 1000 %, а в конструюванні лише на 20 %.

З цієї причини в 60-х роках наголошується «криза» в проектуванні. Стала очевидною настійна необхідність пошуку шляхів і засобів істотного підвищення продуктивності праці конструкторів при одночасному збільшенні якості проектно-конструк-торских робіт.

Великі надії у зв'язку з цим були пов'язані з використанням в проектуванні ЕОМ. З моменту появи ЕОМ широко застосовувалися для виконання обчислень для наукових і інженерно-технічних завдань.

Хоча спроби впровадження ЕОМ в процес проектування відноситься до кінця 50-х років, перші практичні результати були отримані лише в другій половині 60-х років. До цього часу з'явилися ЕОМ, що мають засоби введення і виведення графічної інформації, а також розвинені системи математичного забезпечення. Стало можливим використовувати ЕОМ в діалоговому режимі, що істотно підвищувало ефективність процесу автоматизованого проектування. Вже при створенні САПР першого покоління ставилося завдання об'єднати в інтегральну систему що все є у розпорядженні програми. Повною мірою цю задачу вдалося вирішити лише в 70-х роки, коли з'явилися САПР другого покоління.

Загальна характеристика проблем автоматизації проектування

Під терміном «проектування» зазвичай розуміється процес створення проекту – прототипу, прообразу передбачуваного або можливого об'єкту. Проектування, при якому відбувається взаємодія людини і ЕОМ називають автоматизованим. Об'єктами проектування можуть бути і технічні системи, такі, як літак, ракетний комплекс, корабель, і народногосподарські, економічні системи і так далі

Складність проектованих об'єктів. Складність використовуваної і, головним чином, техніки, що створюється, складність використовуваних технологій, транспортних і виробничих зв'язків безперервно росте (прийнято говорити про експоненціальне зростання характеристик складності). У цьому і полягає головна особливість розвитку виробничої діяльності на сучасному етапі.

Конструкції, які створюють інженери, всі більшою мірою використовують знання, що здобуваються в суміжних науках. Об'єднання радіоелектроніки, теплових процесів, газової динаміки і багато чого іншого при створенні однієї конструкції є типовим для сучасного енергетичного машинобудування, ракетобудування, літакобудування. Різке ускладнення всіляких виробничих зв'язків, технологій, перехід до нових матеріалів якісно ускладнюють роботу проектувальника виробничого комплексу, внаслідок чого його сьогоднішня діяльність якісно несхожа на проектну роботу п'ятидесятирічної давності.

По оцінках фахівців складність продукції машинобудування виросла в середньому в шість разів за останні три десятиліття. А як змінився арсенал засобів, використовуваних конструктором, і самі процедури проектування? Дуже небагато. От чому ускладнення проектованих конструкцій приходить в суперечність з традиційними принципами проектування, які завжди припускали, що головний конструктор має можливість цілісного уявлення про проектовану конструкцію.

Оскільки фізіологічні можливості людини обмежені, а складність створюваних конструкцій безперервно росте, то очевидно, що одного разу ця теза перестає бути справедливим. У останні десятиліття ми починаємо все частіше стикатися з ситуаціями, коли головний конструктор або керівник проекту вже не може ефективно втручатися в процес проектування. З творця, творця конструкції ; він перетворюється, в кращому разі, в хорошого адміністратора.

Тому на порядок денний висувається проблема принципової зміни всій технології проектування — проблема автоматизації проектування. Її особливість — широке використання інформаційних технологій, тобто сучасних способів обробки інформації і представлення її у такому вигляді, який дозволив би конструктору, проектувальникові до кінця використовувати свої творчі можливості. Останніми роками цій проблемі приділяється вся більша і більша увага, причому таке явище характерне для всіх індустріально розвинених країн, що створюють складні зразки техніки і складних народногосподарських комплексів, що реалізовують проекти. Поступово автоматизація проектування стала однією з областей найбільш перспективного використання обчислювальної техніки і методів міждисциплінарних досліджень процесів різної фізичної природи.

Аналіз і синтез процесу проектування. Для успішного вирішення всякої складної проблеми необхідно її розчленувати, на окремих, простіших. Так само і складний проект вимагає розчленовування процесу проектування на проектування окремих підсистем і агрегатів, розділення обов'язків між різними конструкторами, проектувальниками і дослідниками-розраховувачами. Таке положення виникло вже давно: створення проекту літака, крупної водогосподарської або технологічної системи — це завжди диференційована праця великого колективу.

Але розчленовування проблеми необхідне припускає і зворотний процес — процес об'єднання, узгодження характеристик окремих частин системи, синтезу, який дає можливість представити конструкцію в цілому, оцінити її різноманітні якості і відповідність задуму.

Розчленовування процесу проектування спочатку не викликала проблем. Візьмемо, наприклад, таку технічну систему, як літак. Проектування планера природним чином відрізняється від вибору і проектування двигуна. Аеродинамічні і прочностные розрахунки роблять представники різних професій і так далі Така її ситуація спостерігалася усюди. І усюди поступово виникали традиційні форми розподілу праці.

Довгий час і процес синтезу проекту також не викликав особливих проблем: у міру ускладнення проектованих конструкцій удосконалювалися і методи проектування. Але з часом все частіше ці традиційні методи проектування почали давати збої.

Перш за все, почали неприпустимо подовжуватися терміни проектування. Але це було б ще півбіди. Гірше те, що на випробування почали поступати конструкції, все менш і менш відповідні задуму, і у конструктора до початку випробувань не виявлялося можливості досить добре перевірити, наскільки створені їм машина або технологічний комплекс відповідають задуму. В результаті — неминучі переробки, різке дорожчання конструкції і подовження термінів реалізації задуму до десятиліть. А це означає, що в лад вводиться конструкція (або технологія) вже застаріла, така, що відповідає технічному рівню мінімум десяти — двадцятирічній давності.

Аналізуючи ці явища, ми переконуємося в тому, що основні труднощі пов'язані з синтезом, з ув'язкою всього різноманіття особливостей майбутньої конструкції. Ці труднощі ростуть експоненціально разом із зростанням розмірності, тобто кількості параметрів, які визначають конструкцію. Кваліфікація проектувальників тут мало чим може допомогти: традиційна технологія в принципі не може справитися із зростаючою складністю проекту, і треба міняти технологію проектування.

Виникнення і формування концепцій автоматизованого проектування відбувалося приблизно по наступній схемі.

Спочатку почали автоматизувати креслярські роботи — цю дуже трудомістку частину будь-якого процесу проектування. З'явилися креслярські автомати. Вони, звичайно, виправдали витрачені засоби. Проте нічого принципово поліпшуючого проект або прискорюючого його Закінчення вони не внесли, та і не могли внести.

Одночасно йшло широке впровадження в практику інженерних розрахунків (наприклад, прочностных, гідравлічних, аеродинамічних характеристик і т. д.) методів машинної математики. Ці методи істотно удосконалили різноманітні процедури проектних розрахунків, звели до мінімуму можливі помилки, підвищили загальну культуру проектування, проте також не привели до якого-небудь істотного скорочення термінів проектування.

Треба відмітити, що з використанням ЕОМ для проведення інженерних і планових розрахунків були зв'язані великі надії. Але вони багато в чому не виправдалися. Звичайно, в цьому була провина не ЕОМ, а фахівців, які ще не навчилися їх використовувати. Фактично довгий час ЕОМ грали роль великих арифмометрів. З їх допомогою швидше і точніше вирішувалися окремі інженерні завдання, але серйозно вплинути на долю проекту, помітно прискорити закінчення роботи і поліпшити її якість вони ще не могли.

Наступний етап — створення автоматизованих робочих місць конструктора. Це — вже новий рівень мислення. Робочі місця виявлялися безпосередньо пов'язаними з ЕОМ, яка замінила конструктору традиційну лінійку або арифмометр, з'явилися прості дисплеї, що дозволили конструктору реалізувати зворотний зв'язок з ЕОМ. Ідея автоматизованих робочих місць з'явилася в кінці шестидесятих років, одночасно з появою систем розділення часу. З їх впровадженням також було зв'язано немало надій. І хоча ці надії далеко не всі виявилися виправданими, витрати на створення автоматизованих робочих місць, звичайно, цілком окупилися результатами. Одне те, що вони зажадали значного підвищення кваліфікації і загальної ерудиції конструктора, вже давало багато що. Ще одним важливим наслідком появи автоматизованих робочих місць було впровадження ідей ДІАЛОГУ-ЕОМ — конструктор. Це була важлива характеристика певного етапу розвитку ідей автоматизованого проектування. До цих пір з ЕОМ працював математик — це він вирішував завдання, яких потребував конструктор. Тепер же сам конструктор діставав можливість сидіти за терміналом електронної машини. Це не могло не позначитися на якості проектів.

Проте і автоматизація робочих місць конструктора, яка відбулася у ряді країн на початку сімдесятих років, також не вирішила основної проблеми. Терміни між виникненням задуму конструкції і її реалізацією як і раніше залишалися значними. Конструкції (або їх дослідні зразки), що пред'являються до випробувань, вимагали в процесі випробувань численних і важких доробок, а часом і істотної зміни.

У всіх тих ситуаціях, коли перевірочних випробувань не існує, наприклад, при створенні промислових комплексів, дефекти проекту (які просто неможливо виявити до тих пір, поки задум не реалізований) могли обертатися часом трагедією. Та інакше і бути не могло, бо робочі місця конструктора — це лише частина загальної системи проектування.

Стала очевидною необхідність створення взаємопов'язаної системи проектування, що включає і систему програм для інженерних розрахунків, і автоматизовані робочі місця, і різноманітні діалогові процедури, і, звичайно, автоматизацію всіх графічних робіт. Зараз в багатьох країнах ведеться інтенсивна робота в області створення і вводить до ладу подібних автоматизованих систем проектування.

Поки що рано підводити підсумки, говорити про результати експлуатації таких систем і про їх ефективність. З їх введенням зв'язують великі надії, тому автоматизоване проектування переживає певний бум.

Математичне забезпечення проектних рішень. Перш за все, для автоматизованого проектування необхідна вельми досконала обчислювальна техніка спільно з розвиненою системою її колективного використання. Системи проектування, як вони замислюються сьогодні, вимагають колективного використання банків даних, систем моделей і програм. Створення спеціалізованого математичного забезпечення зажадає також багатьох і багатьох років наполегливої роботи численних колективів високої кваліфікації: за сучасним уявленням, будь-яка система автоматизації проектирования—это перш за все складна імітаційна система.

Пояснимо зміст деяких труднощів, які встають перед фахівцями, які займаються проблемами використання ЕОМ в проектуванні. Припустимо, що в нашому розпорядженні є досконалий обчислювальний комплекс і з його допомогою ми хочемо визначити (вибрати) характеристики створюваної конструкції. Але ефективність будь-якої складної конструкції, будь то промисловий комплекс, літак або водогосподарська система, визначається тисячами різних параметрів. Не будемо ж ми перебирати всі можливі поєднання цих параметрів в режимі сліпого діалогу! Будь-яка ЕОМ, навіть гіпотетичній потужності, для цього виявиться занадто слабкою. Значить, перш за все, повинен бути економний спосіб організації пошуку якнайкращого варіанту.

По суті, сказане і означає необхідність створення спеціальної системи правив і алгоритмів, які складуть основу нової технології автоматизованого проектування складних об'єктів. Без створення нової технології системи автоматизованого проектування, подібно до автоматизованих робочих місць, будуть корисним інструментом, який, звичайно, удосконалить процес проектування, але навряд чи внесе до нього ті зміни, які його якісно поліпшать.

Отже, центральне завдання в створенні систем автоматизованого проектування — це розробка нової технології проектування. І, звичайно, розробка такої технології вже почата в багатьох КБ і проектних організаціях, де створюються і починають використовуватися подібні системи. Пристосування конструкторів, проектувальників до нової техніки, використання нового математичного забезпечення — елементи цієї технології, що народжується. Але її створення носить в значній мірі інтуїтивний характер і не перетворилося поки на цілеспрямовані сумісні дослідження инженеров-проктировщиков і математиків.

З чого повинна починатися подібна діяльність? От як відповідає на таке питання одне з провідних конструкторів літаків, покійний нині П. О. Сухої. Відповідь була абсолютно однозначний: «Ви, машинні математики, повинні допомогти перш за все мені — генеральному конструктору. Разом зі мною ви повинні розробити таку методику проектування, яка дозволяла б вже на найраніших етапах проектування достатньо правильно вибрати основні параметри конструкції і оцінити різні характеристики її ефективності і впродовж всього процесу проектування контролювати зміну цих характеристик так, щоб в результаті пред'явити до випробувань конструкцію, що вже не вимагає доведень. Помилку, яку допустить конструктор при «зав'язці» проекту, вже не виправити досконалістю інженерних розрахунків і креслярськими автоматами».

Мабуть, ці принципи — основоположні. І їх реалізація може дійсно вирішальним чином поліпшити існуюче положення з проектуванням складних об'єктів. В той же час треба усвідомлювати той, що завдання ця далеко не проста, робота над створенням САПР – це постійна форма діяльності багатьох колективів. Сьогодні поки може йти мова лише про деякі спрощені варіанти САПР в пріоритетних областях сучасний техніка (військова, аерокосмічна, мікропроцесорна, систем масового обслуговування і ін.)

Неформальні процедури процесу проектування. Тепер зробимо декілька зауважень про «теорію» неформальних процедур і її застосовності до проектування складних технічних конструкцій. Створення складних технічних конструкцій, подібних до виробничого комплексу, літака, електронної машини, — це перш за все творчий акт, і він не може бути ніколи до кінця формалізований. Цей факт ми вважатимемо аксіомою і з неї виходитимемо. Слід відмітити, що цілий ряд фахівців, як за кордоном, так і у нас вважають, що акт творчості в проектуванні в значній мірі може бути замінений спеціально організованою системою обробки статистичного матеріалу. Статистична обробка параметрів існуючих (або можливих) конструкцій, звичайно, дуже важлива, і її у жодному випадку не слід недооцінювати. Але її недостатньо в принципі. Використання тільки одного статистичного матеріалу дозволяє створити конструкцію, що лише має аналоги в окремих технічних рішеннях, тобто подібну (або близьку) що вже існує. Дійсно оригінальні конструкції, що вимагають якісно нових технічних рішень, конструкції завтрашнього дня завжди вимагають нетрафаретного мислення, сміливості і таланту. Отримувати їх на основі статистики невозможно— це теж постулат, який ми приймемо. Але, прийнявши як постулат неможливість повної формалізації, треба зробити і наступний крок — зрозуміти місце і значення формальних методів, тобто методів, що використовують математичний опис вирішуваних завдань, зрозуміти, чим і як вони можуть бути корисні конструктору, як вони повинні бути об'єднані з неформальними процедурами.

Сьогодні проблеми вивчення і організації евристичних процедур привертають увагу широкого круга фахівців. Вже сьогодні існує достатньо міцна основа в накопичених знаннях і розумінні предмету, що дозволяє будувати евристичні процедури не тільки інтуїтивно.

При проектуванні складних конструкцій найважливішим є принцип розділення, про яке ми детально говорили в попередньому розділі. Відмітимо, що цей принцип — принцип декомпозиции— лежить, по суті, в основі всіх технологій проектування, якщо мова йде, звичайно, про достатньо складні конструкції. І це легко зрозуміти, оскільки конструктор, як би талановитий він не був, може оперувати тільки з відносно невеликим об'ємом інформації (параметрів, критеріїв і т. д.). Тому вся технологія проектування повинна бути такій, щоб кожному окремому суб'єктові — учасникові процедури — доводилося вирішувати тільки відносно прості завдання. Весь успіх, кінець кінцем, залежить від цього. Тут же необхідно відзначити ще одну особливість. Це розділення — декомпозиція — повинно бути пристосовано і до збірки — синтезу. На жаль, ніяких загальних рекомендацій тут не немає. У кожному окремому випадку ієрархічна структура завдань, що вирішуються проектувальниками, і внутрішні зв'язки між завданнями повинні вивчатися і проектуватися спеціальним чином.

Пояснимо сказане на прикладі проектування літака, хоча багато що з того, що мовитиметься нижче, справедливо для будь-яких складних конструкцій. На вершині даної ієрархії знаходиться головний конструктор машини, і перед ним коштує проблема такого вибору (призначення) параметрів, який би забезпечив вирішення завдань, поставлених замовником. Якщо мова йде про пасажирському літаку, то замовник — Міністерство цивільної авіації (ГВФ). Він хоче, наприклад, мати літак для грунтових аеродромів, який був би кращий за тих, які він сьогодні експлуатує, — ЯК-40, АН-24 і так далі Якщо мова йде про винищувачі, то замовник хоче мати літак, який був би кращий, існуючі винищувачі (зокрема, перемагав би в бою існуючі винищувачі). Завдання так і повинне ставитися — це природна постановка на природній мові. Сформувати ж деякий функціонал F(х), залежний від всіх параметрів літака x, максимізація якого гарантувала б рішення задачі, ніякий математик або конструктор не не в змозі. Більш того, в реальності функціонал F(х) залежить не тільки від конструктивних параметрів літака х, але і від великої кількості невизначених чинників у Y, що характеризують середовище, в якому літак функціонуватиме (до чинників у відносяться і конструктивні параметри об'єктів протидії супротивника). Таким чином, F = F(х, у).

Проте, об'єктивно такий функціонал існує достатньо часто, в усякому разі, завжди, коли технічний рівень промисловості і рівень знань законів функціонування конструкції дозволяють в принципі створити подібний літак, тобто якщо поставлене завдання вирішуване. Насправді, якщо будуть представлена дві конструкції, то експерт (замовник, генеральний конструктор), провівши всесторонні випробування, зможе вибрати кращу. Умови, коли це можливо, ми будемо, називати умовами компетентності. Вони означають, що у нас (точніше, у замовника або конструктора) є уявлення про те, що означає «краще». Тільки у цих умовах має сенс вирішувати задачу, і лише в цих умовах ми можемо вибрати кращу конструкцію. Якщо замовник або конструктор не можуть з двох зразків вибрати кращий, то це означає, що або ці конструкції рівноцінні, або наш конструктор не задовольняє вимогам компетентності, — в обох випадках математик нічим не може допомогти.

Таким чином, перед головним конструктором стоїть, взагалі кажучи, непосильне завдання вибору вектора параметрів х, що забезпечують максимум деякій згортки Ф(х) функціонала F(х,у) по у, який ми не можемо не тільки виписати в явному вигляді, але і описати на формальній мові.