§ 1.2. Сапр как новые средства проектирования
Рассмотрим развитие средств проектирования и покажем диалектическую неизбежность появления САПР.
Происходящая на наших глазах научно-техническая революция в значительной степени повлияла на создание современных САУ и, в частности, на процесс их проектирования. Начало 40-х годов оказалось тем рубежом, от которого ведет отсчет научно техническая революция (НТР). Возникшие в тот период проблемы в области САУ уже не удавалось достаточно точно решить традиционными формальными и неформальными методами на основе только приближенных расчетов, макетирования, физического моделирования. Это объясняется тем, что создаваемые САУ стали гетерогенными, т. е. объединяющими физически разнородные звенья, требования при их создании и цели их применения стали иметь многокритериальный характер, появилось много случайных и неопределенных характеристик в описании этих объектов. Так, одно из значительных произведений человеческой мысли того периода — управляемый беспилотный самолет — оказалось объектом, в котором отразились все новые проблемы, характерные для начавшейся НТР. Сложность САУ, так же как и других объектов человеческой деятельности, в настоящее время растет по закону геометрической прогрессии. Анализ, проведенный советскими и зарубежными учеными, показывает, что число объектов в технике удваивается в среднем через 10 лет, сложность объектов по числу включаемых в них деталей и узлов удваивается через 15 лет, требуемое время на создание этих объектов уменьшается в 2 раза через 10 лет, объем научно-технической информации, потребной для проектирования, удваивается через каждые 5 лет.
Одновременно сокращается время морального старения объектов в технике до 5 лет.
Естественно, что столь стремительный прогресс в технике потребовал применения новых средств — инструментов для проектирования и изготовления объектов. В каком же состоянии находятся эти новые инструменты? Анализ показывает, что состав инструментов — инструментарий проектировщика — существенно отстает от роста в нем потребностей.
В инструментарий проектировщика 40-х годов таких сложных изделий, как управляемые беспилотные самолеты, входили: логарифмическая линейка, арифмометр, карандаш и бумага у разработчика (теоретика, главного конструктора); «кульман» и готовальня у конструктора; чертежные столы у технолога, макеты для «испытаний металлом», летно-конструкторские испытания всей системы в целом у испытателя. Процесс проектирования при этом сводился к сочетанию приближенных расчетов, конструкторских прорисовок и испытаний металлом. При этом необходимая для расчетов информация «добывалась» из «библиотеки», включающей в себя таблицы, номограммы, справочники, ГОСТы, ОСТы, которые были наполнены множеством эмпирических коэффициентов. Начиная с середины 40-х годов к этим инструментам присоединились ЭВМ, в основном аналоговые (АВМ), на которых решались некоторые из проектных задач. В дальнейшем началось широкое внедрение ЭВМ (АВМ, ЦВМ, аналого-цифровых комплексов— АЦК) в проектное дело. Наконец, в настоящее время происходит разработка и внедрение нового инструментария проектировщика— САПР, которая представляет собой сложный комплекс технических и программных средств ЭВМ, а также других компонентов, из которых формируются отдельные инструменты проектировщика (разработчика, конструктора, технолога и испытателя). В результате внедрения САПР новыми инструментами проектировщика будут инструменты «Построение моделей», «Анализ», «Синтез», ... , «Прорисовка чертежей» и др., включающие в себя такие компоненты, как базы данных (БД), алфавитно-цифровые (АЦД) и графические дисплеи (ГД), кодировщики графической информации (КГИ), графопостроители (ГП), пишущие автоматы (ПА), динамические моделирующие стенды (ДМС), соответствующие пакеты программ (ПП), математические методы и алгоритмы в сочетании со средствами организации и управления вычислительными процессами. В проектном деле под влиянием НТР происходит естественная замена «старых» орудий труда на «новые», что полностью соответствует законам диалектики производительных сил.
В производительных силах (предмет труда, орудия труда и человек) наиболее динамичным звеном являются орудия труда. Именно их изменения приводят к качественному изменению производительных сил. Достаточно напомнить основные ступени развития орудий труда (инструментов) человека от каменных топоров до современных САПР и гибких производственных систем (ГПС).
Если раньше орудия труда, инструменты человека-производителя изготовлялись индивидуально, кустарно, то сейчас существуют инструментальные цехи и целые инструментальные заводы. Средства САПР также должны изготовляться специальными «инструментальными цехами САПР» либо на отдельных «предприятиях САПР». Дадим определение САПР как качественно новых средств на всех этапах проектирования.
САПР — это инструментарий проектировщика, включающий в себя техническое, математические, лингвистическое, программное, информационное, методическое и организационное обеспечения и предназначенный для автоматизации проектирования объектов на конкретном предприятии на всех этапах — от выдачи технического задания до передачи проекта заводу-изготовителю/
Содержащийся в понятии САПР термин «система» (целое, составленное из частей) означает совокупность частей, связанных с общим назначением. Отличительный признак системы — ее целостность, т. е. наличие такой совокупности свойств, которой нет ни у одной из ее частей. Термин «автоматизация», также имеющийся в определении, происходит от слова «автомат» (греч. «самодействующий»)— устройство или совокупность устройств, которые без непосредственного участия человека выполняют процессы приема, преобразования, изготовления и передачи энергии, материалов и информации согласно заложенной в нем программе. Применение автоматов в практической деятельности человека и есть автоматизация— она освобождает его от утомительной однообразной работы, предохраняет от условий, опасных для жизни или вредных для здоровья, позволяет значительно повысить производительность труда и качество продукции. Известными примерами автоматов являются ЭВМ, роботы-манипуляторы, станки с ЧПУ. Там, где они применяются в системах, различают системы автоматизированные и автоматические. Примеры автоматической системы — линия станков, на «вход» которой поступает заготовка, а с «выхода» снимается готовая деталь, линия химического производства, на «вход» которой поступает нефть, а с «выхода снимаются» бензин, масла и другие нефтепродукты. Пример автоматизированной системы — автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) изготовления микропроцессоров. Из определения САПР следует, что эта система не является автоматической и что она направлена на создание системы автоматизированного проектирования. Из этого определения также следует, что САПР создается для конкретного проектного предприятия (проектирование навигационных приборов, оптико-электронных устройств, САУ турбогенераторов и т. д.). Следует заметить, что понятие САПР как системы автоматизированного проектирования проектного предприятия подразумевает, что процесс автоматизации проектного дела уже завершен и проектные предприятия (НИИ и КБ) осуществляют практически автоматизированное проектирование. Однако такое состояние проектного дела является лишь целью, к которой необходимо стремиться. До достижения этой цели еще далеко.
Разработка САПР как инструментария проектировщика и внедрение инструментов САПР по мере их разработки, изготовления и опытной эксплуатации «инструмент за инструментом» (естественно, при заранее разработанной структуре САПР) является стратегией, позволяющей создавать именно автоматизированную систему проектирования. Такая стратегия находится в полном соответствии с развитием производительных сил и отвечает не только на вопрос, что является конечной целью автоматизации проектирования, но и как этой цели достичь!
САПР строится из подсистем, т. е. отдельных инструментов проектировщика, соответствующих конкретным процедурам.
Подсистема САПР состоит из компонентов. Компоненты — часть подсистемы (элемент САПР), из которых строится подсистема. С точки зрения разработчика САПР каждый инструмент САПР — сложная многокомпонентная конструкция, функционирование которой он обязан досконально знать. С точки зрения пользователя это удобный инструмент для выполнения проектных процедур. Это отличие — принципиальное!
Приведем определения обеспечении САПР, из компонентов которых формируются инструменты проектировщика.
Техническое обеспечение САПР — совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих аппаратных средств ЭВМ — ЦВМ, АВМ — устройств ввода — вывода, в том числе алфавитно-цифровых и графических дисплеев (АЦД и ГД), графопостроителей (ГП) и печатающих автоматов (ПА), интеллектуальных терминалов, динамических моделирующих стендов, на которых осуществляется автоматизированное проектирование.
Математическое обеспечение — совокупность математических моделей, математических методов и алгоритмов, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.
Программное обеспечение — совокупность программ, описаний и инструкций, в том числе пакетов программ (ПП), составленных, на основе математического обеспечения и предназначенных для реализации проектных процедур на ЭВМ.
Лингвистическое обеспечение — это совокупность языков программирования, языков проектировщиков и правила формализации этих языков, представленных в форме, удобной для применения в составе САПР.
Информационное обеспечение — совокупность сведений, представленных на машинных носителях информации, в том числе баз данных (БД) и баз знаний (БЗ), содержащих нормативы, справочные данные, типовые проектные решения, закономерности и правила проектного процесса, которые необходимы для выполнения автоматизированного проектирования.
Методическое обеспечение — это совокупность документов, устанавливающих правила и инструкции по эксплуатации инструментов (подсистем) САПР.
Организационное обеспечение — совокупность документов, устанавливающих организационную структуру САПР, формы и порядок прохождения проектных документов, изготовляемых средствами САПР; порядок взаимодействия должностных лиц, подразделений САПР и отделов проектной организации.
Из элементов (компонентов) этих обеспечении и строятся их компоненты всех семи обеспечении. Построение такого инструмента—сложный процесс, аналогичный созданию любого другого современного объекта промышленного производства.
Например, инструмент для расчета такого распространенного элемента САУ, как электродвигатель (ЭД), включает в себя: технические средства (АЦД и др.) для ввода исходных данных расчета характеристик ЭД (например, потребная мощность, пусковой момент, коэффициент полезного действия); компоненты математического обеспечения — формулы для расчета основных размеров ЭД, обмотки ротора и статора, магнитных цепей и т. д.; компоненты программного обеспечения из соответствующих программ электромагнитного, геометрического и других видов расчета ЭД; компоненты лингвистического обеспечения, в том числе проблемно-ориентированный язык расчета ЭД, его базу данных — справочно-информационных материалов; результаты расчета печатаются на алфавитно-цифровом печатающем устройстве (АЦПУ) в виде представленных в форме ЕСКД результатов расчета. Назначение компонентов других инструментов проектировщика ЭД соответствует целям применения этих инструментов.