Проектні процедури і проектні операції

Проектні процедури і проектні операції. Проектна операція - дія або формалізована сукупність дій, складова частина проектної процедури, алгоритм якої лишається незмінним для ряду проектних процедур. Проектна процедура формалізована сукупність дій, виконання яких закінчується прийняттям рішення. Проектне рішення - проміжний або кінцевий опис об'єкта, необхідний і достатній для розгляду і визначення подальшого напрямку або закінчення проектування. Проектна процедура складається з елементарних проектних операцій з чітко встановленим порядком їх виконання і спрямована на досягнення локальної мети в процесі проектування. Проектна процедура починається після отримання технічного завдання і складається із таких проектних операцій:  отримання або пошук, розрахунок вхідних даних (початкові структура та параметри системи);  вибір та обґрунтування необхідних спрощень та обмежень;  математичне описання об'єкту або процесу проектування;  вибір або створення математичної моделі, яка вирішує процедуру;  аналіз об'єкту при заданих структурах та параметрах;  отримання проектного рішення;  при необхідності розробка критеріїв оцінки проектного рішення;  оцінка проектного рішення; Проектні процедури ґрунтуються на мовах проектування, які служать засобом лінгвістичного чи графічного представлення і перетворення опису при проектуванні. Проектна процедура називається типовою, якщо вона призначена для багаторазового використання при проектуванні багатьох типів об'єктів. Розрізняють проектні процедури аналізу і синтезу. Аналіз полягає у визначенні властивостей та дослідженні працездатності об'єкту по його опису (найпростіший приклад – розрахунки та побудова статичних та динамічних характеристик електроприводу за заданими параметрами), тобто при аналізі надається оцінка об’єкту. Синтез полягає у пошуку структури або параметрів, які надають об’єкту потрібних властивостей (приклад – розробка структури та визначення параметрів регуляторів координат електроприводу, які забезпечують необхідні властивості в статичних та динамічних режимах з урахуванням прийнятих обмежень). Процедури аналізу діляться на процедури одноваріантного і багатоваріантного аналізу. При одноваріантному аналізі необхідно визначити вихідні параметри об’єкта за 23 відомими значеннями керуючих та збурюючих дій і відомими значеннями внутрішніх параметрів об’єкту. Багатоваріантний аналіз полягає у дослідженні властивостей об’єктів в деякій області простору внутрішніх параметрів або керуючих та збурюючих дій. Процедури синтезу поділяються на структурний і параметричний синтез. Метою структурного синтезу є визначення структури об'єкта - переліку типів елементів, що складають об'єкт та способу зв'язку елементів між собою в складі об'єкта. Параметричний синтез полягає у визначенні числових значень параметрів елементів при заданій структурі та виконанні заданих умов на виході об'єкта. Треба зазначити, що будь – яке проектування починається з структурного синтезу, навіть якщо структура відома, або предписана. Другим кроком є синтез необхідних параметрів. Після цього проводиться вибір методу аналізу (моделі системи), безпосередньо аналіз і приймається рішення про закінчення процедури проектування, якщо отримані результати відповідають технічному завданню. Алгоритм описаних дій показаний на рис. 3.1. Процес проектування не часто може бути виконаним "за один раз", без повторів окремих операцій або цілком процедури, що наочно відображене на рисунку. Якщо отримане проектне рішення не відповідає технічному завданню, повторюються етапи параметричного синтезу та аналізу. Використовуються методи спочатку одно варіантного, а далі багатоваріантного синтезу параметрів. Далі, якщо параметричний синтез на дав необхідних результатів, або отримані результати виходять за рамки заданих обмежень, приступають до корекції структури системи, тобто повторюють операцію структурного синтезу (блок "Корекція структури" на схемі). Після корекції структури повторюються операції параметричного синтезу та аналізу до отримання позитивного проектного рішення. 24 В проектній практиці можливі складні випадки, коли а ні корекція структури, а ні корекція параметрів не дають позитивних результатів. Тут можливі висновки, на перший погляд прикрі для замовника та виконавця. Можливі варіанти: завдання надто складне для виконання відомими сучасними методами; завдання принципово може бути виконане, але науково – технічний рівень виконавця не дозволяє це зробити. Виводи і можливі шляхи вирішення досить очевидні: скоректувати технічне завдання (а це зниження загального рівня майбутньої техніки і її конкурентноздатності); зміна виконавця (а це втрата часу і фінансових ресурсів); проведення додаткових науково – дослідних робіт. Останній шлях найбільш конструктивний, хоча краще це рішення приймати заздалегідь, на рівні розробки концепції та технічного завдання. Чому висновки прикрі "на перший погляд"? Тому, що описана ситуація теж типова, і краще зробити крок назад та створити систему на рівні кращих світових зразків, ніж продовжувати втілення неконкурентних технічних рішень. 3.2 Евристичні і систематичні рішення Технічне завдання (ТЗ) Структурний синтез Створення моделі Параметричний синтез Аналіз Оформлення документації Корекція параметрів Корекція структури ні так Рис. 3.1 Схема алгоритму типової проектної процедури Відповідність проектного рішення ТЗ Проектна процедура 25 Описана вище "тупикова" ситуація може бути подолана при підключенні методів рішення творчих задач. При проектуванні технічних об'єктів ці методи поділяються на:  систематичні,  евристичні. Систематичні рішення отримують в результаті використання методів, «що стимулюють творчу діяльність» (алгоритм рішення винахідницьких задач, метод асоціацій, метафор, інверсії та ін.). Вони ґрунтуються на усвідомленому процесі пошуку і рішення задачі в результаті впорядкованого мислення і застосуванні методів його активації. Методи стимулювання творчої діяльності ґрунтуються на логіці і використовують раніше визначену послідовність дій і операцій (технологію проектування). Евристичні рішення отримують в результаті такого проектування, коли важлива частина творчого процесу і отримання творчого результату проходить в голові людини і не може бути отримана з попереднього досвіду. Евристичні рішення базуються на застосуванні евристичних методів. Евристичні методи це послідовність наказів або процедур обробки інформації, що виконується з метою пошуку більш раціонального і конструктивного рішення. Для такої послідовності немає обґрунтованого доведення і немає гарантій отримання найкращого рішення. Евристичні процедури називають евристиками або еврістами, вони спрямовані на рішення задач в умовах дефіциту інформації або часу. 3.3 Види забезпечення САПР Засоби автоматизації проектування можна згрупувати по видах забезпечення автоматизованого проектування:  математичне;  програмне;  інформаційне;  технічне;  лінгвістичне;  методичне;  організаційне. 3.3.1 Математичне забезпечення. Основу математичного забезпечення (МЗ) САПР складають алгоритми, по яких розробляється програмне забезпечення САПР. Елементи математичного забезпечення в САПР надзвичайно різноманітні. 26 Серед них є інваріантні елементи — принципи побудови функціональних моделей, методи чисельного вирішення рівнянь алгебри і диференціальних, постановки екстремальних завдань, пошуки екстремуму. Розробка математичного забезпечення є найскладнішим етапом створення САПР, від якого найбільшою мірою залежать продуктивність і ефективність функціонування САПР в цілому. За призначенням і способам реалізації МЗ САПР ділиться на дві частини:  математичні методи і побудовані на їх основі математичні моделі, що описують об'єкти проектування;  формалізований опис технології автоматизованого проектування. Способи і засоби реалізації першої частини математичного забезпечення найбільш специфічні в різних САПР і залежать від особливостей об'єктів проектування. Що стосується другої частини математичного забезпечення, то формалізація процесів автоматизованого проектування в комплексі виявилася складнішим завданням, ніж алгоритмізація і програмування окремих проектних завдань. При рішенні цієї задачі повинні бути формалізована вся логіка технології проектування, зокрема логіка взаємодії проектувальників один з одним на основі використання засобів автоматизації. Математичне забезпечення САПР повинне описувати у взаємозв'язку об'єкт, процес і засоби автоматизації проектування. Перспективною у вдосконаленні і типізації технології процесів автоматизованого проектування є централізована розробка математичного апарату моделювання типового процесу проектування і випуск базових програмно-методичних комплексів, що реалізовують такі моделі. 3.3.2 Програмне забезпечення САПР. Програмним забезпеченням (ПЗ) САПР є сукупність всіх програм і експлуатаційної документації до них, необхідних для виконання автоматизованого проектування. Програмне забезпечення ділиться на загальносистемне і спеціальне (прикладне). Загальносистемне ПЗ призначено для організації функціонування технічних засобів, тобто для планування і управління обчислювальним процесом, розподілу наявних ресурсів, і представлено операційними системами ЕОМ і обчислювальних комплексів (ОК). Загальносистемне ПЗ зазвичай створюється для багатьох застосувань і специфіку САПР не відображає. У спеціальному (прикладному) ПЗ реалізується математичне забезпечення для безпосереднього виконання проектних процедур. Прикладне ПЗ зазвичай має форму пакетів 27 прикладних програм (ППП), кожен з яких обслуговує певний етап процесу проектування або групу однотипних завдань усередині різних етапів. Розглянемо принципові особливості ПЗ, що впливають на організацію і ефективність створення і використання САПР. З розвитком і вдосконаленням ЕОМ все більшого значення набуває такий компонент загальносистемного ПЗ, як операційні системи (ОС). Можливості, що надаються користувачам сучасними обчислювальним системами, більшою мірою визначаються їх операційними системами, чим технічними пристроями. ОС організовує одночасне вирішення різних завдань на ЕОМ, динамічний розподіл каналів передачі даних і зовнішніх пристроїв між завданнями, планування потоків завдань і послідовність їх рішення з урахуванням встановлених критеріїв, динамічний розподіл пам'яті обчислювального комплексу. Проте ОС вимагає для своєї роботи певних ресурсів: процесора, зовнішньої і основної пам'яті. Чим великими можливостями володіє ОС, тим більше ресурсів потрібно для неї. Важливим компонентом загальносистемного ПЗ є базове ПЗ. Базове ПЗ не є об'єктом розробки при створенні програмного забезпечення САПР. Прикладом може служити базове ПО для обробки геометричної і графічної інформації, для формування і використання баз даних (БД). Використання АРМ, до складу яких включене подібне базове ПЗ, таке, що реалізовує стандартні проектні процедури, істотно понизить трудомісткість створення програмного забезпечення САПР. Проте у всіх випадках за творцями САПР залишиться розробка прикладного ПЗ. З розширенням області застосування обчислювальної техніки і ускладненням завдань автоматизації процесів проектування зростають складність і трудомісткість програмування. Останнім часом, особливо у зв'язку з широким впровадженням в інженерну практику персональних комп'ютерів, починають використовуватися функціональні і інтегровані пакети програм. Функціональні пакети програм (ФПП) - це комплекс програмних засобів, орієнтованих на виконання певної функції, більш менш безвідносно до конкретного наочного змісту (обробка текстів - текстові редактори, обробка таблиць, графіки). Інтегровані пакети програм (ІПП) - це поєднання різних пакетів програм в єдиній технологічній системі. Інтеграція може бути реалізована з'єднанням основних функціональних пакетів в цілісну монолітну систему, представлену єдиним програмним модулем, або шляхом 28 створення набору допоміжних засобів інтерфейсного характеру для забезпечення взаємодії пакетів, представлених незалежними модулями. Прикладне програмне забезпечення повинне задовольняти наступним основним вимогам:  Правильність - це функціонування відповідно до модельованого об'єкту і повного збігу з вибраним алгоритмом рішення.  Точність - результати розрахунку мають допустимі відхилення від реальних.  Сумісність - можливість роботи не тільки в автономному режимі, але і у складі інтегрованих систем, САПР і ін.  Надійність - за всіх умов забезпечує повторюваність результату.  Універсальність - робота при будь-яких допустимих початкових даних.  Захищеність - збереження працездатності при виникненні збоїв.  Корисність - практична цінність вирішуваних завдань.  Ефективність - необхідні ресурси (пам'ять, час) невеликі.  Перевіряємость - можливість демонстрації якості на практиці.  Можливість адаптування - можливість швидкої модифікації з метою пристосування до умов функціонування, що змінюються. Останнім часом загальне визнання отримав модульний принцип побудови програмного забезпечення, програм. Програми доцільно розбивати на модулі, для того, щоб спростити їх розробку і реалізацію; полегшити сприйняття програми; спростити їх відладку і модифікацію; полегшити роботу з даними, що мають складну структуру; уникнути надмірної деталізації алгоритмів; забезпечити вигідніше розміщення програм в пам'яті комп'ютера. Кожен модуль зазвичай є самостійною програмою, призначеною для розрахунку окремих компонентів, систем або що реалізовує один з методів розрахунку або окрему його процедуру. Модуль повинен бути, як правило, незалежним від даних варіантів об'єкту, процесу, системи (структури, режиму функціонування і ін.). Він повинен бути тим елементом (компонентом), за допомогою якого можна описати будь-який варіант об'єкту, процесу, системи. Наявність таких модулів дозволяє звести до мінімуму процес додаткового програмування, скоротити час по підготовці користувача до роботи. В процесі реальної роботи з таким програмним забезпеченням проводиться постійна заміна самих модулів або 29 окремих компонент, відповідних тому або іншому варіанту об'єкту, процесу, системи, з максимальною уніфікацією введення і виведення даних. 3.3.3 Інформаційне забезпечення САПР. Основу інформаційного забезпечення (ІЗ) САПР складають дані, якими користуються проектувальники в процесі проектування безпосередньо для вироблення проектних рішень. Ці дані можуть бути представлені у вигляді тих або інших документів на різних носіях, що містять відомості довідкового характеру про матеріали, комплектуючі вироби, типові проектні рішення, параметри елементів, зведення про стан поточних розробок у вигляді проміжних і остаточних проектних рішень, структур і параметрів проектованих об'єктів і тому подібне. При цьому дані, що є результатом одного процесу перетворення, можуть бути початковими для іншого процесу. Сукупність даних, використовуваних всіма компонентами САПР, складає інформаційний фонд САПР. Основна функція ІЗ САПР — ведення інформаційного фонду, тобто забезпечення створення, підтримки і організації доступу до даним. Таким чином, ІЗ САПР є сукупність інформаційного фонду і засобів його ведення. До складу інформаційного фонду САПР входять:  програмні модулі, які зберігаються у вигляді символічних і об'єктних текстів. Як правило, ці дані мало змінюються протягом життєвого циклу САПР, мають фіксовані розміри і з'являються на етапі створення інформаційного фонду. Споживачами цих даних є монітори різних підсистем САПР;  початкові і результуючі дані, які необхідні при виконанні програмних модулів в процесі перетворення. Ці дані часто міняються в процесі проектування, проте їх тип постійний і повністю визначається відповідним програмним модулем. При організації проміжних даних можливі конфліктні ситуації в процесі узгодження між собою даних різних типів;  нормативно-довідкова проектна документація (НДПД), що включає довідкові дані про матеріали, елементи схем, уніфіковані вузли і конструкції. Ці дані, як правило, добре структуровані і можуть бути віднесені до фактографічних. До НДПД відносяться також державні і галузеві стандарти, керівні матеріали і вказівки, типові проектні рішення, що регламентують документи (слабо структуровані документальні дані);  поточна проектна інформація, що відображає стан і хід виконання проекту. Як правило, ця інформація слабо структурована, часто змінюється в процесі проектування і представляється у формі текстових документів. 30 При виборі способів ведення інформаційного фонду САПР важливо сформулювати принципи і визначити засоби ведення інформаційного фонду, структуризації даних, вибрати способи управління масивами даних. Розрізняють наступні способи ведення інформаційного фонду САПР: використання файлової системи; побудова бібліотек; використання банків даних; створення інформаційних програм адаптерів. Використання файлової системи і побудова бібліотек широко поширене в організації ІЗ обчислювальних систем, оскільки підтримується засобами ОС. У додатках до САПР ці способи застосовують при зберіганні програмних модулів в символічних і об'єктних кодах, діалогових сценаріїв підтримки процесу проектування, початкового введення крупних масивів початкових даних, зберігання текстових документів. Проте вони малопридатні при забезпеченні швидкого доступу до довідкових даних, зберіганні змінних даних, веденні поточної проектної документації, пошуку необхідних текстових документів організації взаємодії між різномовними модулями. Автоматизовані бази даних є сукупністю баз даних (БД) і систем управління базами даних (СУБД). База даних — це спеціальним чином організована сукупність даних і їх описів. Система управління базами даних — це програмний комплекс, що реалізовує функції створення бази даних, її оновлення, зберігання, захисту і вибірки даних. Основні функції СУБД: створення схеми БД; організація зберігання даних; захист цілісності БД; управління доступом до БД шляхом розмежування доступу; надання користувачам доступу до БД; підтримка завантаження БД і технологічних процесів їх функціонування. Для здійснення цих функцій СУБД повинна мати власне ПЗ, таке, що включає різні компоненти. Для зберігання даних документального типу в САПР використовують СУБД типу інформаційно-пошукових систем. 3.3.4 Технічне забезпечення САПР. Створення і використання ЕОМ дозволило значно понизити трудомісткість і тривалість обчислювальних робіт. Але в процесі проектування виробів і технологічних процесів частка власне обчислювальних робіт не перевищує 15%. Автоматизація проектування зажадала випуску спеціалізованих засобів САПР. Технічним забезпеченням САПР є сукупність взаємозв'язаних і взаємодіючих технічних засобів, призначених для виконання автоматизованого проектування. Будь-які обчислювальні комплекти САПР, у тому числі і АРМ, повинні включати необхідне число периферійних пристроїв для введення і відображення інформації, зокрема графічні і алфавітно-цифрові дисплеї (ГД і АЦД) з графічними планшетами і електронним 31 пір'ям, високоточні рулонні і планшетні графічні пристрої різного формату, кодувальники графічної інформації, пристрої зняття твердої копії із зображення на екрані дисплея, інтелектуальні відео термінали з растровими кольоровими дисплеями, накопичувачі на переносних магнітних і оптичних дисках, накопичувачі на дисках типу «Вінчестер», функціональні клавіатури, пристрої виведення інформації на мікрофільми і мікрофіші, пристрої зв'язку з ЕОМ верхнього рівня і модеми. Останнім часом все більше застосування в САПР знаходять персональні ЕОМ (ПЕВМ), потужності яких можуть нарощуватися залежно від складності вирішуваних завдань. У перспективі передбачається перехід до магістрально-модульної архітектури АРМ, що припускає, зокрема, стандартизацію апаратно-програмних інтерфейсів, в модифікаціях АРМ буде використано стандартна конструктивна база, побудована на міжнародних стандартах. 3.3.5 Лінгвістичне забезпечення САПР. Основу лінгвістичного забезпечення САПР складають спеціальні мовні засоби (мови проектування), призначені для опису процедур автоматизованого проектування і проектних рішень. Основна частина лінгвістичного забезпечення — мови спілкування людини з ЕОМ. Проблемно-орієнтовані мови (ПОМ) проектування аналогічні алгоритмічним мовам програмування (ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ, СІ, АСЕМБЛЕР і ін.). У одних випадках ПОМ будують таким чином, що опис будь-якого завдання або завдання на її рішення в основному містить оригінальні терміни фізичного і функціонального змісту. Перехід від фізичного і функціонального опису завдання до програм для ЕОМ реалізується далі автоматично за допомогою транслятора. У інших випадках, наприклад при вирішенні геометричних завдань інженерного типу, ПОМ сполучає в собі засоби алгоритмічної мови високого рівня для вирішення обчислювальних математичних завдань і спеціальні мовні засоби моделювання геометричних об'єктів. Транслятор алгоритмічної мови високого рівня доповнений необхідними спеціальними програмами. Очевидно, що ПОМ хоча і називаються мовами, насправді представляють комплекси лінгвістичних і програмних засобів, які повинні включати наступні засоби: набір термінальних символів ПОМ; інтерпретатор з ПОМ; засоби синтаксичного аналізу; засоби пакетування директив; бібліотеки базових функцій ПОМ; інтерфейс для зв'язку СУБД. Можливості ПОМ мають виключно важливе значення в автоматизованому проектуванні. Вони не тільки впливають на продуктивність і рівень автоматизації проектування, але і визначають складність і характер робіт проектувальників із засобами 32 САПР; можуть зробити ці роботи привабливішими або навпаки. У останньому випадку проектувальники будуть явно і неявно протидіяти автоматизації. В даний час в світовій і вітчизняній практиці існують спеціальні методики і програмні засоби, створення ПОМ, що значно скорочують трудомісткість. Зокрема, при розробці образотворчих засобів ПОМ може використовуватися метасистема, що дозволяє на підставі заданої формальної граматики отримувати відповідний програмний інтерпретатор. При розробці програмних модулів бібліотеки базових функцій можуть застосовуватися будь-які алгоритмічні мови високого рівня. Проте створення надмірне великої різноманітності ПОМ утруднить обмін засобами САПР між підприємствами і зажадає навчання великого числа фахівців роботі з декількома мовами. Таким чином, розвиток гнучких виробничих систем вимагає особливо ретельного вирішення питань по складу лінгвістичного забезпечення САПР. 3.3.6 Методичне забезпечення САПР. Під методичним забезпеченням САПР розуміють документи, що регламентують порядок її експлуатації. Причому документи, що відносяться до процесу створення САПР, не входять до складу методичного забезпечення. Документи методичного забезпечення носять в основному інструктивний характер. 3.3.7 Організаційне забезпечення САПР Стандарти по САПР вимагають виділення як самостійного компоненту організаційного забезпечення, яке включає положення, інструкції, накази, штатні розклади, кваліфікаційні вимоги і інші документи, що регламентують організаційну структуру підрозділів проектної організації і взаємодію підрозділів з комплексом засобів автоматизованого проектування.