Автоматизированное проектирование

5.4.1. Основы теории автоматизированного проектирования

Под автоматизированным проектированием понимается такой способ проектирования, при котором все проектные операции и процедуры или их часть осуществляется взаимодействием человека и ЭВМ. Цели автоматизированного проектирования - повышение качества, снижение материальных затрат, сокращения сроков проектирования и ликвидация тенденции к росту числа инженерно-технических работников.

Следует отметить, что граница между автоматизированным и не автоматизированным проектированием не является абсолютно четкой и незыблемой. Граница, за которой начинается автоматизация проектирования, зависит от конкретных условий и, как правило, меняется по мере развития математики, вычислительной техники и теории проектирования. То, что сегодня является наилучшим распределением функций между человеком и ЭВМ и оптимальным методом решения, завтра может перестать быть наилучшим и оптимальным в связи с расширением человеческих знаний и технических возможностей. В связи с этим обстоятельством напрашивается вопрос: как построить диалоговую систему «ЭВМ – человек»? Известно лишь то, что общей теории построения диалоговых систем пока несоздано. Отдельные системы в настоящее время разрабатываются с опорой на здравый смысл и субъективные представления опредмете диалога,что, разумеется, не может рассматриваться в качестве надежной основы их создания. При решении задач проектирования продуктивность информационного обмена с ЭВМ будет тем выше, чем лучше структура диалоговых процедур будет адаптироваться к ряду требований, которые условно можно разделить на две группы:

процедурные (А);

содержательные Б).

Процедурные требования обусловлены объективными закономерностями проектно-конструкторской документации. Учет их при организации адаптивного диалога должен обеспечивать следующее:

управляемость процедур человеко-машинного поиска решения задач проектирования. Реализация интерактивного диалога должна обеспечивать возможность отражения общего замысла в пределах заданных условий на проектирование, определения средств его выполнения и осуществления информационной обратной связи;

структурированность информационного обмена человека и ЭВМ. Весь объем представляемой конструктору информации должен быть разбит на удобные для визуального и смыслового восприятия информационные блоки. Число одновременно воспринимаемых и перерабатываемых конструктором семантически кодированных символов не должно превышать 3-5 одномерных единиц;

многоэтапность диалоговых процедур. В соответствии с объективными закономерностями обработки информации головным мозгом организация человеко-машинных процедур должна носить целостный этапно-цикловой (итеративный) характер и обеспечивать возможность реализации любого не формального сценария поиска конструкторского решения. После выполнения каждого вычислительного этапа конструктору должны предъявляться промежуточные результаты, по содержанию которых можно было бы выносить суждения о ходе последующих действий.

Адаптивность диалоговых процедур. В задачах, связанных с творческим и поисковым видами конструирования, тактико-техническое задание, как правило, содержит неформализуемые элементы. Это предопределяет ведущую роль конструктора при осуществлении человеко-машинного поиска решения практических задач .В соответствии с этим используемые программные и технические средства должны адаптироваться к потребностям «разумной» реакции конструктора на непредвиденные ситуации. Отсюда следует также и необходимость предъявления разработчику (конструктору) информационного содержания разрешаемой проблемной ситуации в виде целостного образования, а также ее статистических и динамических характеристик.

Содержательные требования к организации адаптивного диалога определяются характером решаемых задач. Учет этих требований должен обеспечивать следующее.

Гибкость процедур диалогового взаимодействия человека и ЭВМ. При решении частичного формализованных конструкторских задач алгоритму человеко-машинного поиска рациональных вариантов не могут быть однозначными. Это обусловливает минимально допустимый уровень регламентации процедур взаимодействия человека и ЭВМ, а также необходимость нежесткого управления схемой поиска решений. Снижение требований к регламентации диалоговых процедур должно сопровождается соответствующим повышением требований к гибкости структуры их математического обеспечения. Гибкость разрешающие алгоритмы, ориентированные на использование в интерактивных процедурах, должны обеспечивать возможность вмешательства в ход решения как на формализованных, так и на неформализованных его этапах;

Неформальность процедур ввода-вывода качественной информации. Это требование обусловлено необходимостью использования в адаптивных диалоговых процедурах неформального опыта прошлого, субъективных оценок, здравого смысла и других форм вне логической информации, которая имеет выражение не в количественных мерах, а в качественных категориях. Ввод-вывод такой информации, имеющей разнообразную физическую природу, должен осуществляться в той форме, в которой она реально существует.

Для унифицирования принятия решений в условиях неопределенности в процессе человеко-машинного поиска рациональных конструкторских решений необходимо выделять типовые процедуры, имеющие сходную структуру. В соответствии с этим целесообразно унифицировать организацию самого процесса принятия решений и создавать диалоговые структуры (операционные технологии), инвариантные к разнообразию решаемых задач.

Перечисленные требования обеспечивают достижение целей автоматизированного проектирования, отмеченных нами ранее. Так, качество проектирования повышается благодаря следующим фактам:

рассмотрению все более сложных совокупностей взаимосвязанных явлений, событий;

рассмотрению большего количества проектных решений по срав­нению с "ручным" проектированием;

более детальному и всестороннему анализу каждого проектного решения для самых разнообразных условий эксплуатации объекта проектирования;

возможности решать принципиально новые проектные задачи с всесторонним моделированием на ЭВМ сложных процессов, объектов проектирования;

вооружению проектировщика новыми методами, способами и ин­струментом, расширяющим и углубляющим диапазон действий в творческом процессе.

Сроки разработки объектов (РСЗО, РК в нашемслучае) сокращаются вследствие:

совершенствования и ускорения обработки, анализа и наглядного представления исходной информации;

широкого использования методов многовариантного проектирования и оптимизации при поиске наиболее эффективных решений;

ускорения трудоемких инженерных расчетов (статических, динамических и др);

замены ряда натурных экспериментов моделированием на ЭВМ;

совершенствования управления всем процессом проектирования от накопления необходимой информации до выпуска проектной и др.

Стоимость разработки проекта уменьшается благодаря следующим обстоятельствам:

повышению качества проектной документации, сокращению затрат на различного рода переделки, доводку;

сокращению числа специалистов, занятых вспомогательными работами;

увеличению времени на решение творческих задач специалистов высокой квалификации;

замене ряда дорогостоящих физических (натурных) экспериментов моделированием на ЭВМ.

Все перечисленное указывает на то, что наилучшая форма организации процесса проектирования достигается при применении САПР комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации и выполняющего автоматизированное проектирование (ГОСТ 22487-77. Проектирование автоматизированное. Термины и определения). К настоящему времени сложилась вполне конкретная схема классификации САПР, В частности, существующие системы автоматизированного проектирования, классифицируются по типу, разновидности и сложности объекта проектирования; уровню и комплексности автоматизации проектирования; характеру и числу выпускаемых проектных документов; числу уровней в структуре технического обеспечения.

По типу объекта проектирования различают САПР изделий машиностроения и приборостроения; технологических процессов в машиностроении и приборостроении; объектов строительства; организационных систем.

По сложности объекта проектирования различают САПР простых объектов, содержащих до 10² составных элементов; САПР объектов средней сложности, содержащих от 10²до 10³ составных элементов; САПР сложных объектов, содержащих от 10³ до 10⁴ составных элементов; САПР объектов очень высокой сложности, содержащих от 10⁴ до 10⁶составных элементов.

По уровню автоматизации проектирования САПР делятся на низкоавтоматизированные, в которых число автоматизированных проектных процедур (АПП) составляет 25% общего числа ПП; среднеавтоматизированные (от 25% до 50% общего числа ПП); высокоавтоматизированные (от 50% до 75% общего числа ПП).

По комплектности САПР классифицируют на одноэтапные, многоэтапные, комплексные. Последние выполняют все этапы проектирования, установленные для объекта.

5.4.2. Системы автоматизированного проектирования и их роль

в создании перспективных ракетных комплексов

Как следует из определения, САПР выполняет автоматическое проектирование без участия человека. В связи с этим важно знать виды обеспечения САПР и какую роль они играют при автоматизированном проектировании.

Математическое обеспечение (МО) – совокупность математических методов, математических моделей и алгоритмов, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.

Техническое обеспечение (ТО) – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования.

Программное обеспечение (ПО) – это совокупность машинных программ, необходимых для автоматизированного проектирования. Часть ПО, предназначенная для управления проектированием, называют операционной системой. Совокупность машинных программ, необходимых для выполнения какой-либо проектной процедуры, называют пакетом прикладных программ.

Информационное обеспечение (ИО) – это совокупность сведений, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Основной частью ИО являются автоматизированные банки данных, которые состоят из базы данных и систем управления базами данных.

Лингвистическое обеспечение (ЛО) – это совокупность языков проектирования, включая термины и определения, правила формализации естественного языка и методы сжатия и развертывания текстов, необходимых для автоматизированного проектирования.

Методическое обеспечение (МО) – это совокупность документов, устанавливающих состав и правила отбора и эксплуатации средств обеспечения автоматизированного проектирования.

Организационное обеспечение (ОО) – это совокупность документов, устанавливающих состав проектной организации и её подразделений, связи между ними, их функции, а также форму представления результата проектирования и порядок рассмотрения проектных документов, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.

Перечисленные виды обеспечения определяют состав типовой САПР, структурными частями которой являются подсистемы. Последние разделяют на проектирующие и обслуживающие. К проектирующим относят подсистемы, выполняющие проектные процедуры и операции, например подсистема логического проектирования, подсистема конструкторского проектирования и т.п. К обслуживающим относят подсистемы, предназначенные для поддержания работоспособности проектируемых подсистем, например подсистема документирования, подсистема графического отображения объектов проектирования и т.п. По отношению к объекту проектирования различают объектно-ориентированные (объектные) и объектно-независимые (инвариантные). К объектам относят подсистемы, выполняющие одну или несколько проектных процедур или операций, непосредственно зависимых от конкретного объекта проектирования. К инвариантным относят подсистемы, выполняющие унифицированные проектные процедуры и операции, например функции отработки, не зависящие от особенностей проектируемого объекта.

Подсистемы состоят из компонентов, объединенных общей для данной подсистемы целевой функцией и обеспечивающих её функционирование. Структурное единство подсистемы обеспечивается связями между компонентами различных обеспечений САПР.

Исходя из вышеотмеченного, следует указать, что очень важную роль играют принципы создания САПР, к которым относят следующие: включения, системного единства, совместимости, стандартизации.

Принцип включения обеспечивает разработку САПР на основе требований, позволяющих включать эту САПР в САПР более высокого уровня.

Принцип системного единства состоит в том, что при создании, функционировании и развитии САПР связи между подсистемами должны обеспечивать целостность системы.

Согласно принципу развития САПР должно создаваться и функционировать с учетом пополнения, совершенствования и обновления подсистем и компонентов.

Принцип комплексности обеспечивает связность проектирования элементов и всего объекта на всех стадиях, позволяет осуществлять согласование и контроль характеристик и объекта в целом.

Принцип информационного единства состоит в использовании в подсистемах, компонентах и средствах обеспечения САПР единых условных обозначений, терминов, символов, проблемно-ориентированных языков, способов представления информации, соответствующих принятым нормативным документам.

Согласно принципу совместимости языки, символы, коды, информационные и технические характеристики структурных связей между подсистемами, средствами обеспечения и компонентами должны способствовать совместному функционированию подсистем и сохранять открытую систему в целом.

Принцип стандартизации заключается в проведении унификации, типизации и стандартизации подсистем и компонентов, инвариантных к проектируемым объектам и отраслевой специфике, а также в установлении правил с целью упорядочения деятельности в области создания и развития САПР.

Подсистемы должны вводиться в действие и функционировать независимо от других систем. Единство общесистемных требований обеспечивает проектная система САПР. Учитывая особенности создания нового вооружения (РСЗО и РК), современные САПР должны обеспечивать многоэтапный итерационный процесс, включающий анализ, синтез и оптимизацию функциональных структур, физических принципов действий, структурный и параметрический синтезы технических решений. Необходимо особо отметить, что функционирование САПР немыслимо, если нет методического аппарата, обеспечивающего согласование решений при выборе наилучшего варианта объекта.

В настоящее время закладываются основы гибкого автоматизированного производства вооружения, в том числе РСЗО и РК. Системы автоматизированного проектирования в составе этих производств будут развиваться в направлении совершенствования средств машинной графики, методов и программ синтеза не только объекта проектирования, но и синтеза технологических процессов. Не менее важная задача САПР-проектирование своих автоматизированных производств, включая проектирование робототехнических комплексов, технологического оборудования, их компоновку, размещение и т.п.

Как видно, роль их очень велика, поэтому современные САПР должны иметь мощные средства имитационного моделирования работы производственных линий, участков, цехов, в которых создается новое вооружение; средства синтеза и анализа объектов проектирования с физически разнородными подсистемами (элементами); инструментальные средства проектирования программного обеспечения гибкого автоматизированного производства; средства разработки вычислительных сетей в составе гибкого автоматизированного производства и др.

Очевидно, что САПР обеспечат достижение высокой степени унификации РСЗО и РК, так как в процессе синтеза технических решений представляется возможность достичь требуемых значений показателей унификации, к которым относятся следующие из них:

коэффициент применяемости;

коэффициент повторяемости;

коэффициент межпроектной унификации;

коэффициент специализации.

коэффициент заводской межпроектной унификации;

Хорошим примером в этом направлении является унифицированная бразильская РСЗО “Астрос II”, имеющая возможность осуществлять пуск снарядов трех калибров(127-, 180-, 300-мм) из одной ПУ; проектировалась она с помощью современных САПР. Известно, что в ходе синтеза облика было получено свыше 15000 вариантов РСЗО. Военно-технический анализ позволил остановиться на унифицированном варианте, названном “Астрос II”. Эта РСЗО принята на вооружение бразильской армии и некоторых стран Азии и Африки

Глава 6