Аналитические и имитационные модели 1 страница

Процесс проектирования. Основные понятия и определения

Дадим определение САПР: САПР (система автоматизированного проектирования) - это комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с коллективом специалистов (пользователей системы), выполняющих автоматизированное проектирование.

В последнее время все чаще пропагандируется новый подход к проектированию, который заключается в замене последовательного процесса сквозной разработки изделия с передачей результатов проектирования от одного подразделения к другому на интегрированный, параллельный процесс создания изделия на основе концепции “рабочих групп”. Эта концепция предполагает создание на предприятии многопрофильных рабочих групп в составе различных специалистов по конструированию, технологической подготовке производства, вопросам качества, маркетинга и т.д.

Различают семь стадий процесса проектирования новых изделий:

1) предпроектные исследования;

2) техническое задание;

3) эскизный проект;

4) технический проект;

5) рабочий проект;

6) изготовление, отладка, испытание;

7) ввод в действие.

Иногда говорят о восьми стадиях проектирования, имея в виду, что между техническим заданием и эскизным проектом возникает стадия технического предложения.

Лет 10 назад в любой проектной организации по результатам окончания каждой из вышеперечисленных стадий работы выпускался отчет и соответствующая проектная документация. Сегодня некоторые из этих стадий могут вообще быть опущены или, как уже отмечалось, при использовании технологии параллельного проектирования выполняться параллельно. Кроме того, следует признать, что в настоящее время на многих предприятиях и в организациях отсутствует жесткая регламентация по оформлению технической документации.

1.3. Стадии процесса проектирования

Рассмотрим содержание работ на различных стадиях проектирования на примере разработки некоторой абстрактной САПР.

Прежде всего, отметим, что при создании САПР как нового изделия необходимо реализовать все стадии проектирования.

На первой стадии (предпроектного обследования) производится обследование той организации или подразделения, которая будет выполнять проектирование (например, некоторого конструкторского бюро), изучается предмет автоматизации, оформляется отчет о результатах обследования, в котором делается анализ существующих отечественных и зарубежных аналогов и дается предварительное технико-экономическое обоснование создания САПР. Отчет согласовывается в установленном на предприятии порядке.

Далее пишется техническое задание на разработку САПР, где формулируются цели создания САПР, обосновывается оптимальный вариант САПР, дается общее описание процесса проектирования, указываются ответственные Исполнители и этапы создания САПР, примерные сроки выполнения работы. Техническое задание разрабатывается, согласовывается и утверждается совместно с Заказчиком. На этой стадии завершается, так называемое, внешнее проектирование.

Третья стадия (эскизный проект), как и все последующие, относится уже к внутреннему проектированию.

На стадии эскизного проекта разрабатываются принципиальные решения по созданию САПР и формам проектной документации.

На стадии технического проекта разрабатываются окончательные решения по созданию САПР, которые опять согласовываются и утверждаются.

Стадия рабочего проектирования предполагает создание подробной рабочей документации по САПР в целом и по ее подсистемам и компонентам (подсистема САПР - это составная структурная часть САПР, обладающая всеми свойствами системы).

Результатом стадии рабочего проектирования является рабочий проект, который включает в себя всю необходимую рабочую документацию, в том числе, программную.

Шестая стадия проектирования САПР предполагает изготовление, отладку и испытание так называемых несерийных компонентов САПР. Помимо программного обеспечения здесь могут изготавливаться и отлаживаться специализированные технические средства, не выпускаемые серийно промышленностью, например, некоторые средства сопряжения различных устройств, в частности, адаптеры для стыковки персональных компьютеров и устройств вывода на перфоленту и т.п.

На заключительной стадии осуществляется сдача САПР в промышленную эксплуатацию, которая включает в себя, в частности, обучение персонала пользователя, строительно-монтажные работы, если таковые необходимы, комплексную отладку САПР, опытную эксплуатацию, проведение приемочных испытаний, устранение замечаний, выявленных при испытаниях и, наконец, собственно сдачу системы в промышленную эксплуатацию.

Проектирование новых изделий проходит три основных этапа:

1. Научно-исследовательские работы (НИР).

2. Опытно-конструкторские работы (ОКР).

3. Этап рабочего проектирования.

Иногда первый и второй этапы объединяют в один этап: НИОКР.

Первый этап включает в себя предпроектные исследования и разработку технического задания.

Этап опытно-конструкторских работ объединяет эскизный и технический проекты.

Этап рабочего проектирования объединяет стадии рабочего проекта, изготовления, отладки, испытания и ввода в действие.

Еще раз следует подчеркнуть, что особенности выполнения всех стадий проектирования во многом определяется регламентом работ, принятом на конкретном предприятии или организации, в том числе различного рода отраслевыми стандартами, которые также могут весьма различаться для разных отраслей промышленности.

2. Основные понятия системотехники. САПР как объект системотехники

2.1. Концепция системотехники

Системоте́хника - научное направление, охватывающее проектирование, создание, испытание и эксплуатацию сложных систем.

Основные понятия системотехники:

Система – множество элементов, находящихся в отношениях и связях между собой.

Элемент – такая часть системы, представление о которой нецелесообразно подвергать при проектировании дальнейшему разбиению.

Сложная система – система, характеризуемая большим числом элементов и, что наиболее важно, большим числом взаимосвязей элементов. Сложность системы определяется также видом взаимосвязей элементов, свойствами целенаправленности, иерархичности, многоаспектности.

Подсистема – часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей), которая имеет свойства системы.

Надсистема – система, по отношению к которой рассматривая система является подсистемой.

Структура – отображение совокупности элементов системы и их взаимосвязей; понятие структуры отличается от понятия самой системы тем, что при описании структуры принимают во внимание лишь типы элементов и связей без конкретизации значений их параметров.

Параметр – величина, выражающая свойство или системы, или ее части.

В научном познании можно выделить несколько компонентов, дополняющих друг друга:

1) эмпирико-интуитивный, вероятно, наиболее древний, основанный на наблюдениях (экспериментах) и «угадывании» взаимосвязей между ними;

2) дедуктивно аксиоматический, принятый Евклидом в его «Началах»;

3) конструктивный, обобщенный Сократом, идущий от частного к общему и избегающий догматизма;

4) ассоциативный, более всего характерный для Максвелла и Эйнштейна, основанный на улавливании сходства между весьма отдаленными фактами и объединении разрозненных элементов при помощи новой более глубокой точки зрения.

Процесс познания всегда направлен одновременно от частей к целому и от целого к частям.

В системотехнике на равных правах используются все компоненты, это и определяет ее научную парадигму, сближающую методологии естественных и гуманитарных наук. Классическая методология «точных» наук основана на причинно-следственных зависимостях и выражается логико-аксиоматическим отношением: «если А истинно, а из А следует Б, то Б истинно». Иначе говоря, из А следует Б, но не наоборот. В частности, понимая под А систему аксиом, а под Б множество теорем, доказанных исходя из А, мы утверждаем, что Б есть следствие, но не основание А. Эта цепочка бесконечна: на основании Б делаются выводы В и т. д., но ни одно из следствий не воспринимается как обоснование А. Фундаментом являются аксиомы (в математике), законы (в физике), эмпирические факты и предположения (в физике на предположениях основываются гипотезы, если предположения экспериментально подтверждены, гипотезы становятся теориями). Доказав Б, В и т. д., мы не узнаем ничего нового об А: процесс познания строго детерминирован и следует закону причинности. Понятия в точных науках трансформируются в переменные, множествa и классы, связь между которыми устанавливается при помощи однозначных строгих формульных зависимостей.

Аксиоматический подход к элементному составу любого объекта весьма ограничен: в новом целом могут выявиться новые свойства частей, формирующих целое. Имея дело с новым объектом или с известным, но попавшем в новую среду или ситуацию, полностью полагаться на априорное знание опасно. Типовой состав переменных, которые описывают свойства компонентов объекта, может оказаться непригодным для целого объекта, более того, в различных структурах может потребоваться различный состав переменных, а как определить их — неясно. Трудности возникают и при установлении связей между переменными, поскольку число возможных связей нарастает комбинаторно по отношению к числу переменных. Части целого описываются на различных языках (проблемно-ориентированных или семиотических), если и удается перевести эти описания на язык математики, то объединить эти описания в единую математическую структуру редко удается. Все эти трудности вытекают из игнорирования многосвязности и взаимооп-ределяемости свойств и понятий.

В системотехнике вместо классического вопроса «что происходит» на первый план выступает вопрос: «что нам нужно узнать о том, что происходит». Части и целое выступают в диалектическом единстве и взаимопределяемости. Для объекта, рассматриваемого как система, решается проблема «что из чего состоит». Декомпозиция и композиция, анализ и синтез, познание частей через целое и целое через части выступают в единстве. Главная практическая задача системотехники состоит в том, чтобы, обнаружив и описав сложность, обосновать такие дополнительные физически реализуемые связи, которые, будучи наложенными на сложную систему, сделали бы ее управляемой в требуемых пределах, сохранив при этом области самостоятельности (следовательно, слабой предсказуемости), способствующие повышению эффективности системы. Таким образом, новые связи выполняют ограничительную и охранительную функции. Из всех методологических концепций системотехническая наиболее близка к «естественному» человеческому мышлению — гибкому, неформальному, разноплановому. Системный подход объединяет естественно научный метод, основанный на эксперименте, формальном выводе и количественной оценке, с умозрительным методом, опирающимся на образное восприятие окружающего мира и качественный синтез.

В исследовании любой проблемы можно выделить несколько главных подпроблем.

1. Выделение проблемы: учесть все, что нужно, и отбросить то, что не нужно.

2. Описание: выразить на едином языке, разнородные по физической природе явления и факторы.

3. Установление критериев: определить, что значит «хорошо» и «плохо» для сравнения альтернатив.

4. Идеализация: ввести рациональную идеализацию проблемы, упростить ее до допустимого предела.

5. Декомпозиция: найти способ разделения целого на части, не теряя свойств целого.

6. Композиция: найти способ объединения частей в целое, не теряя свойств частей.

7. Решение: найти решение проблемы.

Традиционно эти подпроблемы рассматриваются как этапы решения; предлагается осуществить их в строгой последовательности и получить решение. Процедура может быть многократной, циклической, но обязательно поэтапной.

Системотехника принимает как количественные, так и качественные оценки, однако отказывается от традиции поэтапного решения и существования последовательного алгоритма решения. Системотехника исходит из того, что для сложных проблем такого алгоритма может не существовать, а человеческий разум предназначен для решения именно сложных проблем.

Системный подход состоит в многосвязности процесса решения на основе развития и уточнения исходной модели посредством взаимодействия ее составных частей. Подпроблемы рассматриваются совместно, во взаимосвязи и диалектическом единстве. Рассматривать подпроблемы изолированно и последовательно, в отрыве друг от друга и, следовательно, от среды нерационально и неправильно. Раскрытие сущности проблемы возможно только посредством изучения диалектики взаимодействия подпроблем.

На рис. 1 приведена схема системного подхода. Она содержит перечисленные подпроблемы, которые решаются не поочередно, а одновременно, при непрерывном взаимодействии.

Рис. 1. Схема системного подхода

Модель (в общеупотребительном значении термина) строится на основании эмпирических или предположительных данных, которые не являются ни законами, ни закономерностями, это формальное представление наблюдаемых реальных или воображаемых событий. Модель позволяет увязать воедино многочисленные процессы и проследить влияние различных условий, т. е. входных данных. Аппарат модели — многократное воспроизведение взаимодействия процессов. В ряде случаев модель помогает выявить новые закономерности, которые не усматриваются при анализе известных закономерностей и исходных данных в силу их сложности, громоздкости, несопоставимости и разноязычности.

Моделирование в системотехнике реализует одну из основных кибернетических идей Винера о «черном ящике» — устройстве, о котором известно состояние входов и выходов, но неизвестно внутреннее строение и принцип действия. Винер предлагал следующий способ раскрытия «черного ящика»: рядом с «черным» ставится «белый» ящик, с полностью известным и изменяемым в широком диапазоне устройством. На входы обоих ящиков подается одинаковый по свойствам белый шум, а затем устройство белого ящика изменяется до тех пор, пока выходные функции совпадут. С точки зрения исследователя, ящики станут тождественными. При этом физическое содержание их может быть различным: белый ящик — не копия, а модель черного (допустим, белый ящик построен на электронных, а черный — на механических компонентах).

Оперируя сложными системами, нельзя использовать в качестве средства идентификации белый шум. Во-первых, исследуя систему, мы не можем делать с ней все, что пожелаем: систему недопустимо выводить из рабочего диапазона условий. Во-вторых, при создании новой, реально не существующей системы сами условия плохо известны. В-третьих, применительно к сложным системам трудно определить, что такое «белый шум». Поэтому вместо белого шума берется некоторый ансамбль важных для представления ситуации внешних воздействий, уточняемый в процессе моделирования. Законы, управляющие поведением таинственного ящика, зависят от ситуации.

На рис. 2 приведена схема раскрытия таинственного ящика с помощью моделирования.

Относительно новой несуществующей системы обычно известны (и то — не полностью) входы (определяемые средой) и выходы (определяемые назначением системы). Экспериментировать с такой системой невозможно — ее нет, в нашем распоряжении только «белый ящик» — модель, отражающая замысел, который и требуется совершенствовать до уровня соответствия заданному назначению. Модель позволяет проверять идеи, выдвигаемые в процессе разработки, методы и средства их реализации и оценивать предполагаемый результат. Но — не только.

Рис. 2. Схема раскрытия «черного ящика»

Модель — это самостоятельно действующая система, хотя и упрощенная. Она уступает теории в общности, зато превосходит ее в конкретности и ясности получаемых данных, целенаправленности, она точнее ориентирует мысль разработчика в том направлении, которое соответствует замыслу. При использовании нескольких моделей с различной целевой ориентацией возникает потребность в интерпретации и согласовании результатов моделирования, что создает предпосылки к объединению моделей и помогает созданию теории. В этом смысле модель является предтечей теории несуществующей системы, заменяя гипотезу и недоступный исследователю эксперимент.

Концепция системотехники состоит в представлении реальных (существующих) или воображаемых (создаваемых) сложных систем посредством упрощенных описаний, т. е. моделей, отражающих определенные, наиболее важные грани сущности сложной системы, и исследовании таких моделей. Формирование моделей осуществляется на основании тех данных, которые можно получить о сложной системе экспериментальными и интеллектуальными средствами. Теория имеет дело с идеализацией реальности, модель — с самой реальностью.

Системные модели гомеостатичны. Попробуем качественно представить себе процесс системного гомеостаза. Никаких средств восполнения недостающей и исправления ошибочной информации система не имеет. Однако в системе существуют три фактора, в силу которых осуществляется «генерирование информации» (этот термин уточним позднее) и рациональное согласование подсистем. Вот они.

1. Описание подсистем избыточно: для каждой подсистемы задаются значения входных и выходных величин («входов» и «выходов»); при этом возможно взаимное пополнение данных и исключение ошибок.

2. Сложная система имеет очень небольшие области значений входных и выходных величин составляющих ее подсистем, при которых система устойчива.

2.2. САПР как объект системотехники

Современные автоматизированные информационные системы, в частности САПР, являются сложными в силу наличия у них целенаправленности, целостности, и главное, многоаспектности.

Целенаправленность – свойство искусственной системы, выражающее назначение системы. Это свойство необходимо для оценки эффективности вариантов системы.

Целостность – свойство системы, характеризующее взаимосвязанность элементов и наличие зависимости выходных параметров от параметров элементов, при этом большинство выходных параметров не является простым повторением или суммой параметров элементов.

Иерархичность – свойство сложной системы, выражающее возможность и целесообразность ее иерархического описания, то есть представления в виде нескольких уровней, между компонентами которых имеются отношения
целое – часть.

2.3. Структура и классификация САПР

Система автоматизированного проектирования (САПР) определена в ГОСТ 23501.0-79 как организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования (КСАП), взаимодействующего с подразделениями проектной организации, и выполняющая автоматизированное проектирование (рис. 3).

Составными структурными частями АПР являются подсистемы, в которых при помощи различных комплексов средств выполняется решение функционально законченных задач в определенной последовательности. Как мы уже определили выше, подсистемы САПР сами обладают всеми свойствами системы, т.е. обычно реализуют вполне законченные этапы или стадии проектирования или группу непосредственно связанных между собой проектных задач.

Такого типа подсистемы называют проектирующими.

Примером подсистемы может служить, например, любая программная система на персональном компьютере, осуществляющая проектирование управляющей программы, скажем, для токарных станков с ЧПУ по заданному чертежу детали, получаемому из другой проектирующей подсистемы.

Рис. 3.Структура программного обеспечения САПР

Помимо проектирующих подсистем в САПР используются подсистемы, которые принято называться обслуживающими. Например, ясно, что если вы используете некоторую базу данных, и соответственно некоторую СУБД, то система управления базами данных сама по себе ничего не проектирует, а лишь управляет процессом хранения, накопления, модификации и поиска данных, необходимых вам для проектирования.

3. Принципы создания САПР

3.1. Процесс проектирования. Основные понятия и определения

В процессе проектирования используются следующие принципы:

а) иерархичности;

б) декомпозиции;

в) многоэтапности;

г) итерационности;

д) типизации и унификации проектных решений, методологии и средств проектирования.

Принцип иерархичности заключается в структуризации (разбиении) представлений об объекте проектирования на уровни описания (на верхнем уровне объект как система; на следующем уровне выделяются обеспечивающие подсистемы; далее агрегаты, из них выделяются узлы и на последнем уровне - конструктивные элементы). В результате применения принципа иерархичности последовательно наращивается сложность описания объекта.

Обратите внимание! В определении принципа говорится о структуризации описаний, т.к. физически объект не существует, а является только представлением о будущем реальном объекте в коллективе проектировщиков!

Декомпозиция означает структуризацию (разбиение) представлений соответствующего уровня описания объекта на составные части с целью их раздельного проектирования с учетом согласования принимаемых проектных решений.

Многоэтапность проектирования означает, что процесс проектирования в соответствии со степенью готовности проектных решений подразделяется на стадии, этапы, проектные процедуры и операции.

В процессе проектирования выделяют стадии предпроектных исследований, технического задания, технического предложения, технического и рабочего проектов, испытаний и внедрения. Содержание отдельных стадий проектирования регламентируется ГОСТ 23501.1-79, а технического проекта - ГОСТ 23501.106-85. Этапы проектирования включают формирование всех требующихся описаний объекта, относящихся к одному или нескольким иерархическим уровням или аспектам проектирования (функциональному, конструкторскому, информационному или технологическому).

Составными частями этапа являются проектные процедуры.

Под проектной процедурой понимают формализованную совокупность действий, в результате выполнения которой получают проектное решение.

Проектное решение - промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.

Проектная процедура включает в себя проектные операции. Проектные операции - это действие или формализованная совокупность действий, алгоритм которых остается неизменным для ряда проектных процедур.Примеры проектных операций: вычисление параметра с применением какого-либо вычислительного метода; интегрирование системы уравнений и т.п.

Наиболее известными проектными процедурами являются: анализ, синтез и оптимизация.

Проектная процедура оптимизации заключается в вычислении таких значений проектных параметров, при которых критерий функционирования объекта проектирования принимает экстремальное значение.

Далее в последующих лекциях будет рассмотрен обобщенный алгоритм проектирования, из которого будет ясным взаимодействие проектных процедур синтеза, анализа и оптимизации.

Вернемся к рассмотрению принципов проектирования. 4-м принципом был назван принцип итерационности. Заключается он в неоднократном повторении перечисленных выше проектных процедур или проектных операций. Его применение обусловлено тем, что из-за сложности технических объектов проектирования выработать рациональное проектное решение не удается за один проход необходимых проектных процедур и операций, поэтому необходим возврат к предшествующим процедурам или уровням детализации объекта проектирования.

Последний из перечисленных принципов - принцип типизации и унификации состоит в выборе таких составляющих объекта проектирования и методик его расчета (методики реализуются в вычислительных методах), которые применимы для возможно более широкого класса объектов и процедур.

Использование типовых и унифицированных проектных решений приводит к упрощению и ускорению проектирования, т.к. типовые элементы разрабатываются однократно, но в различных проектах применяются многократно.

Однако унификация целесообразна в таких классах объектов, в которых из сравнительно небольшого числа разновидностей элементов проектируется и изготовляется большое число разнообразных систем. Именно эти разновидности элементов и подлежат унификации. Для разных сложных систем из этих элементов процесс проектирования приходится повторять для каждой системы отдельно. В этих условиях естественно ставить вопрос об унификации средств проектирования и изготовления (методик), в частности, об унификации проектных процедур в рамках САПР. Наличие средств автоматизированного выполнения типовых проектных процедур позволяет оперативно создавать проекты новых изделий.

3.2. Этапы проектирования САПР

В общем случае процесс проектирования может быть рассмотрен как последовательность следующих относительно самостоятельных действий:

1) Постановка проблемы и формирование общей цели проектирования.

Это творческий акт, логически вытекающий из хода и прогноза развития событий в определенной сфере деятельности. Он требует от проектировщика понимания перспективных потребностей обновления.

2) Изыскание общей концепции о средствах достижения цели; выявлении основных принципов действия и функций объекта проектирования и его составляющих, обеспечивающих достижение планируемых результатов.

В основном это тоже творческий акт, но возможные решения на этой стадии могут быть проанализированы на обобщенных математических моделях.

3) Предпроектные исследования. Собственно проектирование начинается с иерархической декомпозиции общей цели, функций и принципов построения объекта до такой степени конкретизации, когда становятся очевидными конструктивные решения элементов декомпозиции с количественными оценками критериев качества.

На этой стадии проектирования требуется высокая профессиональная подготовка проектировщиков в соответствующей предметной области, знание технических и технологических возможностей реализации выдвигаемых идей, умение количественно оценивать достижимые уровни качественных показателей проектируемых объектов. На этой стадии может быть достигнута значительная автоматизация за счет включения в объект проектирования унифицированных деталей, узлов, агрегатов и подсистем, для которых существуют математические модели в виде подпрограмм, программ или программных комплексов в программном обеспечении САПР.

Перечисленные работы выполняются в рамках стадии предпроектных исследований. Иначе этот этап называют стадией научно-исследовательских работ (НИР).

4) Разработка технических заданий (ТЗ) на проектирование объектов и составляющих его частей. Формулируются назначение и функции, определяются планируемые эффекты и технико-экономические показатели, а также технические требования.

Это стадия технического задания. Результатом ее выполнения является техническое задание (ТЗ) на проектирование.

5) Разработка технических предложений под сформулированные ТЗ. Технические предложения предусматривают выбор тех или иных вариантов удовлетворения ТЗ на принципиальном уровне с учетом максимально возможной информации, имеющей отношение к изобретениям, патентам, прототипам. Стадия работ называется стадией технического предложения.

Автоматизация этапов 4 и 5 может быть достигнута за счет существующих в базе данных САПР ММ унифицированных элементов проектируемого объекта, а также за счет развитого информационного описания предметной области.

6) Эскизное проектирование объектов. На этой стадии проектирования осуществляется основная работа, окончательное теоретическое и эксплуатационное обоснование и описание устройства и работы объекта проектирования с высокой степенью достоверности прогноза его эксплуатационных качеств.

7) Разработка технического проекта (ТП). Здесь идеи эскизного проекта доводятся до уровня конструкторских документов, содержащих технические решения.

На этапах 6 и 7 разрабатываются ММ оригинальных элементов, осуществляется оптимизация принимаемых решений, для чего привлекается соответствующий математический аппарат. Этап характеризуется высокой степенью формализации.

8) Разработка рабочей документации для изготовления опытных образцов. Допускает полную автоматизацию при развитом информационном описании.

9) Коррекция проектируемых решений и документации по результатам испытаний опытных образцов. Чаще всего это требует возврата к этапам 6-7 проектирования, реже - к 3-4. Кроме того, отметим, что на любом этапе проектирования может быть возврат к предыдущей стадии по принципу обратной связи, в этом случае производится корректировка ранее принятых решений.

Общность этих стадий проектирования допускает типизацию описаний стадий. Так, на каждой стадии формулируются определенные совокупности проектируемых задач, решение которых приводит к достижению поставленных при проектировании целей. При решении этих задач выделяются проектные операции - достаточно законченные последовательности действий, завершающиеся определенными промежуточными результатами. Последовательности проектных операция, приводящие к решению проектных задач, называют проектными процедурами.