И.П.Норенков
Москва — 2000
Даны сведения по различным аспектам и видам обеспечения систем автоматизированно-
го проектирования, необходимые квалифицированным пользователям САПР в различных
обла-
стях техники. Значительное внимание уделено математическому обеспечению процедур
анали-
за и синтеза проектных решений, построению локальных и корпоративных вычислительных
се-
тей САПР, составу и функциям системных сред САПР. Освещены также активно развиваемые
в
последнее время методики концептуального проектирования сложных систем, положенные
в ос-
нову технологии CALS, а также вопросы интеграции САПР с автоматизированными
системами
управления и делопроизводства.
Книга предназначена для студентов технических высших учебных заведений, может
быть
полезна аспирантам и работникам промышленности, использующим методы и средства
САПР в
своей работе.
Автоматизация проектирования занимает особое место среди информационных технологий.
Во-первых, автоматизация проектирования — синтетическая дисциплина, ее составными
час-
тями являются многие другие современные информационные технологии. Так, техническое
обеспе-
чение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании
вычисли-
тельных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные
компью-
теры и рабочие станции, есть примеры применения мейнфреймов. Математическое
обеспечение
САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной
математики,
статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного
интел-
лекта. Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных
про-
граммных систем, основанных на операционных системах Unix, Windows-95/NT, языках
програм-
мирования С, С++, Java и других, современных CASE-технологиях, реляционных
и объектно-ори-
ентированных системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых
систем и обмена
данными в компьютерных средах.
Во-вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами
САПР требуется практически любому инженеру-разработчику. Компьютерами насыщены
проектные
подразделения, конструкторские бюро и офисы. Работа конструктора за обычным
кульманом, расче-
ты с помощью логарифмической линейки или оформление отчета на пишущей машинке
стали ана-
хронизмом. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью
их использова-
ния, оказываются неконкурентоспособными как из-за больших материальных и временных
затрат на
проектирование, так и из-за невысокого качества проектов.
Появление первых программ для автоматизации проектирования за рубежом и в СССР
относит-
ся к началу 60-х гг. Тогда были созданы программы для решения задач строительной
механики, ана-
лиза электронных схем, проектирования печатных плат. Дальнейшее развитие САПР
шло по пути со-
здания аппаратных и программных средств машинной графики, повышения вычислительной
эффек-
тивности программ моделирования и анализа, расширения областей применения САПР,
упрощения
пользовательского интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта.
К настоящему времени создано большое число программно-методических комплексов
для
САПР с различными степенью специализации и прикладной ориентацией. В результате
автоматиза-
ция проектирования стала необходимой составной частью подготовки инженеров
разных специально-
стей; инженер, не владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может
считаться полно-
ценным специалистом.
Подготовка инженеров разных специальностей в области САПР включает базовую
и специаль-
ную компоненты. Наиболее общие положения, модели и методики автоматизированного
проектирова-
ния входят в программу курса, посвященного основам САПР, более детальное изучение
тех методов
и программ, которые специфичны для конкретных специальностей, предусматривается
в профильных
дисциплинах.
Данный учебник ориентирован на базовую подготовку студентов различных инженерных
специ-
альностей в области САПР.
KD:9: ) является вводной. Здесь даны начальные сведения о процессе проектирования
техниче-
ских объектов, изложены основные понятия системотехники, пояснены структура
САПР и ее место в
ряду других промышленных автоматизированных систем.
KD:9: 2 посвящена техническому обеспечению САПР, основное внимание уделено
локаль-
ным и корпоративным вычислительным сетям. Рассмотрены наиболее распространенные
типы ло-
кальных сетей, методы доступа, протоколы и характеристики каналов передачи
данных в вычис-
лительных сетях.
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
3
+(*A&:@$"&*
+(*A&:@$"&*
В @D:9. 3 содержатся сведения о моделях и методах, используемых для анализа
проектных ре-
шений на различных иерархических уровнях, начиная с метода конечных элементов
для анализа по-
лей физических величин и кончая основами имитационного моделирования систем
массового обслу-
живания. Кратко изложены подходы к геометрическому моделированию и обработке
графической ин-
формации для ее визуализации.
Методы параметрического и структурного синтеза проектных решений изложены в
@D:9. 4. Дан
обзор критериев оптимальности и методов математического программирования для
расчета опти-
мальных значений проектных параметров. Пояснены трудности формализации структурного
синтеза
и охарактеризованы перспективные методы его выполнения.
В @D:9. 5 представлена общая структура программного и информационного обеспечения
САПР.
Основное внимание уделено обслуживающим подсистемам, в том числе CASE-подсистемам
разра-
ботки программного обеспечения.
KD:9: 6 знакомит читателя с современными средствами концептуального проектирования
слож-
ных систем, с подходами к созданию интегрированных систем проектирования и
управления на базе
IDEF методик и стандартов STEP.
В 38+D4L.0++ приведены краткие сведения о важных международных стандартах в
области ин-
формационной поддержки проектирования и производства промышленной продукции.
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
4
" 4./.90. 4 64=3B6=0C0-346993.
;-3.<=0-34690.
).). *+,-./012 345645 7 384.7-+849:0+;
"
40>-+. +0L.0.804@4 384.7-+849:0+>. !"#$%&'"#()*'$ технического
объекта — создание,
преобразование и представление в принятой форме образа этого еще не существующего
объекта. Об-
раз объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека
в результате твор-
ческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами
в процессе взаимо-
действия человека и ЭВМ. В любом случае инженерное проектирование начинается
при наличии вы-
раженной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми могут
быть объекты
строительства, промышленные изделия или процессы. Проектирование включает в
себя разработку
технического предложения и (или) технического задания (ТЗ), отражающих эти
потребности, и реа-
лизацию ТЗ в виде проектной документации.
Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, и оно является '+,#-*./
(0$"('1*./)
#0'+)*'$/ #23$%&). Результатом проектирования, как правило, служит полный
комплект документации,
содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях.
Эта документация и
есть 0"#$%&, точнее #%#*1)&$45*#$ #0'+)*'$ объекта. Более коротко,
проектирование — процесс, за-
ключающийся в получении и преобразовании исходного описания объекта в окончательное
описание на
основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского
характера.
Преобразование исходного описания в окончательное порождает ряд промежуточных
описаний,
подводящих итоги решения некоторых задач и используемых для обсуждения и принятия
проектных
решений для окончания или продолжения проектирования.
Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем
взаимодей-
ствия человека и ЭВМ, называют )(&#/)&'6'"#()**./, в отличие от "71*#8#
(без использования
ЭВМ) или )(&#/)&'1$+%#8# (без участия человека на промежуточных этапах).
Система, реализую-
щая автоматизированное проектирование, представляет собой +'+&$/7 )(&#/)&'6'"#()**#8#
0"#$%-
&
'"#()*'9 (в англоязычном написании CAD System — Computer Aided Design
System).
Автоматическое проектирование возможно лишь в отдельных частных случаях для
сравнительно
несложных объектов. Превалирующим в настоящее время является автоматизированное
проектирование.
Проектирование сложных объектов основано на применении идей и принципов, изложенных
в
ряде теорий и подходов. Наиболее общим подходом является системный подход,
идеями которого
пронизаны различные методики проектирования сложных систем.
" 8+0=+31 ,+,-./04@4 345645:. Основные идеи и принципы проектирования сложных
систем
выражены в системном подходе. Для специалиста в области системотехники они являются
очевидны-
ми и естественными, однако их соблюдение и реализация зачастую сопряжены с
определенными
трудностями, обусловливаемыми особенностями проектирования. Как и большинство
взрослых обра-
зованных людей, правильно использующих родной язык без привлечения правил грамматики,
инже-
неры используют системный подход без обращения к пособиям по системному анализу.
Однако инту-
итивный подход без применения правил системного анализа может оказаться недостаточным
для ре-
шения все более усложняющихся задач инженерной деятельности.
Основной общий принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей
явления или
сложной системы с учетом их взаимодействия. :'+&$/*.; 0#-,#- (%4<1)$& (
+$29 (.9(4$*'$ +&"7%-
&
7". +'+&$/., &'0'6)='< +(96$;, #0"$-$4$*'$ )&"'27&#(,
)*)4'6 (4'9*'9 (*$>*$; +"$-..
Системный подход рассматривают как направление научного познания и социальной
политики.
Он является базой для обобщающей дисциплины “?$#"'9 +'+&$/” (другое
используемое название —
“С'+&$/*.; )*)4'6”). ?$#"'9 +'+&$/ — -'+='04'*), ( %#&#"#;
%#*%"$&'6'"7<&+9 0#4#@$*'9 +'+-
&
$/*#8# 0#-,#-); #*) 0#+(9A$*) '++4$-#()*'< ' 0"#$%&'"#()*'< +4#@*.,
B%#*#/'1$+%',, +#=')45-
*.,, &$,*'1$+%', +'+&$/, 1)A$ (+$8# +4)2#+&"7%&7"'"#()**.,.
Характерными примерами таких си-
стем являются производственные системы. При проектировании систем цели достигаются
в многоша-
говых процессах принятия решений. Методы принятия решений часто выделяют в
самостоятельную
дисциплину, называемую “?$#"'9 0"'*9&'9 "$>$*';”.
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
5
5@!"! 7
""
*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
5@!"! 7
В технике дисциплину, в которой исследуются сложные технические системы, их
проектирова-
ние, и аналогичную теории систем, чаще называют +'+&$/#&$,*'%#;. !"$-/$&#/
+'+&$/#&$,*'%'
9(49<&+9, (#-0$"(.,, #"8)*'6)='9 0"#=$++) +#6-)*'9, '+0#456#()*'9
' ")6('&'9 &$,*'1$+%', +'+&$/,
(#-(&#".,, /$&#-. ' 0"'*='0. ', 0"#$%&'"#()*'9
' '++4$-#()*'9. В системотехнике важно уметь
сформулировать цели системы и организовать ее рассмотрение с позиций поставленных
целей. Тогда
можно отбросить лишние и малозначимые части при проектировании и моделировании,
перейти к по-
становке оптимизационных задач.
Системы автоматизированного проектирования и управления относятся к числу наиболее
слож-
ных современных искусственных систем. Их проектирование и сопровождение невозможны
без сис-
темного подхода. Поэтому идеи и положения системотехники входят составной частью
в дисципли-
ны, посвященные изучению современных автоматизированных систем и технологий
их применения.
Интерпретация и конкретизация системного подхода имеют место в ряде известных
подходов с дру-
гими названиями, которые также можно рассматривать как компоненты системотехники.
Таковы
структурный, блочно-иерархический, объектно-ориентированный подходы.
При +&"7%&7"*#/ 0#-,#-$, как разновидности системного, требуется
синтезировать варианты
системы из компонентов (блоков) и оценивать варианты при их частичном переборе
с предваритель-
ным прогнозированием характеристик компонентов.
C4#1*#-'$")",'1$+%'; 0#-,#- к проектированию использует идеи декомпозиции
сложных опи-
саний объектов и соответственно средств их создания на иерархические уровни
и аспекты, вводит по-
нятие стиля проектирования (восходящее и нисходящее), устанавливает связь между
параметрами со-
седних иерархических уровней.
Ряд важных структурных принципов, используемых при разработке информационных
систем и
прежде всего их программного обеспечения (ПО), выражен в #23$%&*#-#"'$*&'"#()**#/
0#-,#-$ к
проектированию (ООП). Такой подход имеет следующие преимущества в решении проблем
управле-
ния сложностью и интеграции ПО: 1) вносит в модели приложений большую структурную
определен-
ность, распределяя представленные в приложении данные и процедуры между классами
объектов; 2)
сокращает объем спецификаций, благодаря введению в описания иерархии объектов
и отношений на-
следования между свойствами объектов разных уровней иерархии; 3) уменьшает
вероятность искаже-
ния данных вследствие ошибочных действий за счет ограничения доступа к определенным
категори-
ям данных в объектах. Описание в каждом классе объектов допустимых обращений
к ним и приня-
тых форматов сообщений облегчает согласование и интеграцию ПО.
Для всех подходов к проектированию сложных систем характерны также следующие
особенности.
1. :&"7%&7"'6)='9 процесса проектирования, выражаемая декомпозицией
проектных задач и
документации, выделением стадий, этапов, проектных процедур. Эта структуризация
является сущ-
ностью блочно-иерархического подхода к проектированию.
2. D&$")='#**.; характер проектирования.
3. ?'0'6)='9 и 7*'E'%)='9 проектных решений и средств проектирования.
$,04901. 340>-+> ,+,-./4-.60+7+. В теории систем и системотехнике введен
ряд терминов,
среди них к базовым нужно отнести следующие понятия.
:'+&$/) — множество элементов, находящихся в отношениях и связях между
собой.
F4$/$*& — такая часть системы, представление о которой нецелесообразно
подвергать при про-
ектировании дальнейшему членению.
:4#@*)9 +'+&$/) — система, характеризуемая большим числом элементов и,
что наиболее важ-
но, большим числом взаимосвязей элементов. Сложность системы определяется также
видом взаимо-
связей элементов, свойствами =$4$*)0")(4$**#+&', =$4#+&*#+&',
14$*'/#+&', '$")",'1*#+&', /*#-
8#)+0$%&*#+&'. Очевидно, что современные автоматизированные информационные
системы и, в ча-
стности, системы автоматизированного проектирования, являются сложными в силу
наличия у них
перечисленных свойств и признаков.
!#-+'+&$/) — часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей),
которая имеет
свойства системы.
G)-+'+&$/) — система, по отношению к которой рассматриваемая система является
подсистемой.
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
6
""
*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
5@!"! 7
:&"7%&7") — отображение совокупности элементов системы и
их взаимосвязей; понятие
структуры отличается от понятия самой системы также тем, что при описании структуры
принимают
во внимание лишь типы элементов и связей без конкретизации значений их параметров.
!)")/$&" — величина, выражающая свойство или системы, или ее
части, или влияющей на
систему среды. Обычно в моделях систем в качестве параметров рассматривают
величины, не из-
меняющиеся в процессе исследования системы. Параметры подразделяют на (*$>*'$,
(*7&"$**'$
и (.,#-*.$, выражающие свойства элементов системы, самой системы, внешней среды
соответст-
венно. Векторы внутренних, выходных и внешних параметров далее обозначаются
X = (x1,x2...xn),
Y = (y1,y2...ym), Q = (q1,q2,...qk) соответственно.
H)6#()9 0$"$/$**)9 — величина, характеризующая энергетическое или информационное
на-
полнение элемента или подсистемы.
:#+	*'$ — совокупность значений фазовых переменных, зафиксированных в
одной времен-
ной точке процесса функционирования.
!#($-$*'$ (-'*)/'%)) +'+&$/. — изменение состояния системы в процессе функционирования.
:'+&$/) 2$6 0#+4$-$;+&('9 — ее поведение при t > t0 определяется
заданием состояния в мо-
мент t0 и вектором внешних воздействий Q(t). В системах с последействием, кроме
того, нужно знать
предысторию поведения, т.е. состояния системы в моменты, предшествующие t0
.
I$%&#" 0$"$/$**., V, ,)")%&$"'67<A', +#+	*'$
(вектор переменных состояния), — неиз-
быточное множество фазовых переменных, задание значений которых в некоторый
момент времени
полностью определяет поведение системы в дальнейшем (в автономных системах
без последействия).
!"#+&")*+&(# +#+	*'; — множество возможных значений
вектора переменных состояния.
H)6#()9 &")$%&#"'9 — представление процесса (зависимости
V(t)) в виде последовательности
точек в пространстве состояний.
К характеристикам сложных систем, как сказано выше, часто относят следующие
понятия.
J$4$*)0")(4$**#+&5 — свойство искусственной системы, выражающее назначение
системы.
Это свойство необходимо для оценки эффективности вариантов системы.
J$4#+&*#+&5 — свойство системы, характеризующее взаимосвязанность элементов
и наличие
зависимости выходных параметров от параметров элементов, при этом большинство
выходных пара-
метров не является простым повторением или суммой параметров элементов.
D$")",'1*#+&5 — свойство сложной системы, выражающее возможность
и целесообразность
ее иерархического описания, т.е. представления в виде нескольких уровней, между
компонентами ко-
торых имеются отношения целое-часть.
Составными частями системотехники являются следующие основные разделы:
— иерархическая структура систем, организация их проектирования;
— анализ и моделирование систем;
— синтез и оптимизация систем.
Моделирование имеет две четко различимые задачи: 1 — создание моделей сложных
систем (в
англоязычном написании — modeling); 2 — анализ свойств систем на основе исследования
их моде-
лей (simulation).
Синтез также подразделяют на две задачи: 1 — синтез структуры проектируемых
систем (+&"7%-
&
7"*.; +'*&$6); 2 — выбор численных значений параметров элементов систем
(0)")/$&"'1$+%';
+'*&$6). Эти задачи относятся к области принятия проектных решений.
Моделирование и оптимизацию желательно выполнять с учетом статистической природы
сис-
тем. Детерминированность — лишь частный случай. При проектировании характерны
нехватка до-
стоверных исходных данных, неопределенность условий принятия решений. Учет
статистического
характера данных при моделировании в значительной мере основан на методе статистических
испы-
таний (методе Монте-Карло), а принятие решений — на использовании нечетких
множеств, эксперт-
ных систем, эволюционных вычислений.
+-0B.- 7. Компьютер является сложной системой в силу наличия у него большого
числа элементов, разнооб-
разных связей между элементами и подсистемами, свойств целенаправленности,
целостности, иерархичности. К подсис-
темам компьютера относятся процессор (процессоры), оперативная память, кэш-память,
шины, устройства ввода-вывода.
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
7
""
*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
5@!"! 7
В качестве надсистемы могут выступать вычислительная сеть, автоматизированная
и (или) организационная система, к ко-
торым принадлежит компьютер. Внутренние параметры — времена выполнения арифметических
операций, чтения (запи-
си) в накопителях, пропускная способность шин и др. Выходные параметры — производительность
компьютера, емкость
оперативной и внешней памяти, себестоимость, время наработки на отказ и др.
Внешние параметры — напряжение пита-
ния сети и его стабильность, температура окружающей среды и др.
+-0B.- 2. Для двигателя внутреннего сгорания подсистемами являются коленчатый
вал, механизм газораспре-
деления, поршневая группа, система смазки и охлаждения. Внутренние параметры
— число цилиндров, объем камеры
сгорания и др. Выходные параметры — мощность двигателя, КПД, расход топлива
и др. Внешние параметры — характе-
ристики топлива, температура воздуха, нагрузка на выходном валу.
+-0B.- 3. Подсистемы электронного усилителя — усилительные каскады; внутренние
параметры — сопротив-
ления резисторов, емкости конденсаторов, параметры транзисторов; выходные параметры
— коэффициент усиления на
средних частотах, полоса пропускания, входное сопротивление; внешние параметры
— температура окружающей среды,
напряжения источников питания, сопротивление нагрузки.
).2. *-8<7-<8: 384=.,,: 384.7-+849:0+>
!.8:86+A.,7:> ,-8<7-<8: 384.7-016 ,3.=+H+7:=+2 + +.8:86+A.,7+. <8490+
384.7-+84-
9:0+>. При использовании блочно-иерархического подхода к проектированию
представления о про-
ектируемой системе расчленяют на '$")",'1$+%'$ 7"#(*'. На верхнем
уровне используют наименее
детализированное представление, отражающее только самые общие черты и особенности
проектиру-
емой системы. На следующих уровнях степень подробности описания возрастает,
при этом рассмат-
ривают уже отдельные блоки системы, но с учетом воздействий на каждый из них
его соседей. Такой
подход позволяет на каждом иерархическом уровне формулировать задачи приемлемой
сложности,
поддающиеся решению с помощью имеющихся средств проектирования. Разбиение на
уровни долж-
но быть таким, чтобы документация на блок любого уровня была обозрима и воспринимаема
одним
человеком.
Другими словами, блочно-иерархический подход есть декомпозиционный подход (его
можно на-
звать также диакоптическим), который основан на разбиении сложной задачи большой
размерности
на последовательно и (или) параллельно решаемые группы задач малой размерности,
что существен-
но сокращает требования к используемым вычислительным ресурсам или время решения
задач.
Можно говорить не только об иерархических уровнях спецификаций, но и об '$")",'1$+%',
7"#(*9, 0"#$%&'"#()*'9, понимая под каждым из них совокупность
спецификаций некоторого иерар-
хического уровня совместно с постановками задач, методами получения описаний
и решения возни-
кающих проектных задач.
Список иерархических уровней в каждом приложении может быть специфичным, но
для боль-
шинства приложений характерно следующее наиболее крупное выделение уровней:
— +'+&$/*.; уровень, на котором решают наиболее общие задачи проектирования
систем, ма-
шин и процессов; результаты проектирования представляют в виде структурных
схем, генеральных
планов, схем размещения оборудования, диаграмм потоков данных и т.п.;
— /)%"#7"#($*5, на котором проектируют отдельные устройства, узлы
машин и приборов; ре-
зультаты представляют в виде функциональных, принципиальных и кинематических
схем, сборочных
чертежей и т.п.;
— /'%"#7"#($*5, на котором проектируют отдельные детали и элементы
машин и приборов.
В каждом приложении число выделяемых уровней и их наименования могут быть различными.
Так, в радиоэлектронике микроуровень часто называют компонентным, макроуровень
— схемотехни-
ческим. Между схемотехническим и системным уровнями вводят уровень, называемый
функциональ-
но-логическим. В вычислительной технике системный уровень подразделяют на уровни
проектирова-
ния ЭВМ (вычислительных систем) и вычислительных сетей. В машиностроении имеются
уровни де-
талей, узлов, машин, комплексов.
В зависимости от последовательности решения задач иерархических уровней различают
нисхо-
дящее, восходящее и смешанное проектирование (стили проектирования). Последовательность
реше-
ния задач от нижних уровней к верхним характеризует (#+,#-9A$$ проектирование,
обратная после-
довательность приводит к *'+,#-9A$/7 проектированию, в +/$>)**#/ стиле имеются
элементы как
восходящего, так и нисходящего проектирования. В большинстве случаев для сложных
систем пред-
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
8
""
*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
5@!"! 7
почитают нисходящее проектирование. Отметим однако, что при наличии заранее
спроектированных
составных блоков (устройств) можно говорить о смешанном проектировании.
Неопределенность и нечеткость исходных данных при нисходящем проектировании
(так как еще
не спроектированы компоненты) или исходных требований при восходящем проектировании
(по-
скольку ТЗ имеется на всю систему, а не на ее части) обусловливают необходимость
прогнозирования
недостающих данных с последующим их уточнением, т.е. последовательного приближения
к оконча-
тельному решению ('&$")='#**#+&5 проектирования).
Наряду с декомпозицией описаний на иерархические уровни применяют разделение
представ-
лений о проектируемых объектах на аспекты.
K+0$%& #0'+)*'9 (+&")&)) — описание системы или ее части с
некоторой оговоренной точки
зрения, определяемой функциональными, физическими или иного типа отношениями
между свойст-
вами и элементами.
Различают аспекты функциональный, информационный, структурный и поведенческий
(про-
цессный). H7*%='#*)45*#$ описание относят к функциям системы и чаще всего представляют
его
функциональными схемами. D*E#"/)='#**#$ описание включает в себя основные
понятия предмет-
ной области (сущности), словесное пояснение или числовые значения характеристик
(атрибутов) ис-
пользуемых объектов, а также описание связей между этими понятиями и характеристиками.
Инфор-
мационные модели можно представлять графически (графы, диаграммы сущность-отношение),
в ви-
де таблиц или списков. :&"7%&7"*#$ описание относится к морфологии
системы, характеризует со-
ставные части системы и их межсоединения и может быть представлено структурными
схемами, а
также различного рода конструкторской документацией. !#($-$*1$+%#$ описание
характеризует про-
цессы функционирования (алгоритмы) системы и (или) технологические процессы
создания системы.
Иногда аспекты описаний связывают с подсистемами, функционирование которых
основано на раз-
личных физических процессах.
Отметим, что в общем случае выделение страт может быть неоднозначным. Так,
помимо указан-
ного подхода. очевидна целесообразность выделения таких аспектов, как E7*%='#*)45*#$
(разработ-
ка принципов действия, структурных, функциональных, принципиальных схем), %#*+&"7%&#"+%#$
(определение форм и пространственного расположения компонентов изделий), )48#"'&/'1$+%#$
(раз-
работка алгоритмов и программного обеспечения) и &$,*#4#8'1$+%#$ (разработка
технологических
процессов) проектирование систем. Примерами страт в случае САПР могут служить
также рассмат-
риваемые далее виды обеспечения автоматизированного проектирования.
*-:5++ 384.7-+849:0+>. :&)-'' проектирования — наиболее крупные части
проектирова-
ния, как процесса, развивающегося во времени. В общем случае выделяют стадии
научно-исследова-
тельских работ (НИР), эскизного проекта или опытно-конструкторских работ (ОКР),
технического,
рабочего проектов, испытаний опытных образцов или опытных партий. Стадию НИР
иногда называ-
ют предпроектными исследованиями или стадией технического предложения. Очевидно,
что по мере
перехода от стадии к стадии степень подробности и тщательность проработки проекта
возрастают, и
рабочий проект уже должен быть вполне достаточным для изготовления опытных
или серийных об-
разцов. Близким к определению стадии, но менее четко оговоренным понятием,
является понятие эта-
па проектирования.
Стадии (этапы) проектирования подразделяют на составные части, называемые 0"#$%&*./'
0"#=$-7")/'. Примерами проектных процедур могут служить подготовка
деталировочных чертежей,
анализ кинематики, моделирование переходного процесса, оптимизация параметров
и другие проект-
ные задачи. В свою очередь, проектные процедуры можно расчленить на более мелкие
компоненты,
называемые 0"#$%&*./' #0$")='9/', например, при анализе прочности
детали сеточными методами
операциями могут быть построение сетки, выбор или расчет внешних воздействий,
собственно моде-
лирование полей напряжений и деформаций, представление результатов моделирования
в графичес-
кой и текстовой формах. Проектирование сводится к выполнению некоторых последовательностей
проектных процедур — /)">"7&#( 0"#$%&'"#()*'9.
Иногда разработку ТЗ на проектирование называют (*$>*'/ проектированием,
а реализацию ТЗ
— (*7&"$**'/ проектированием.
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
9
""
*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
5@!"! 7
*45.8L:0+. -.60+A.,7+6 ?:5:0+2 0: 384.7-+849:0+.. В ТЗ на проектирование объекта
ука-
зывают, по крайней мере, следующие данные.
1. Назначение объекта.
2. Условия эксплуатации. Наряду с качественными характеристиками (представленными
в вер-
бальной форме) имеются числовые параметры, называемые (*$>*'/' параметрами,
для которых ука-
заны области допустимых значений. Примеры внешних параметров: температура окружающей
среды,
внешние силы, электрические напряжения, нагрузки и т.п.
3. Требования к (.,#-*./ параметрам, т.е. к величинам, характеризующим свойства
объекта,
интересующие потребителя. Эти требования выражены в виде 7+4#('; ")2#&#+0#+#2*#+&'
yi R Ti,
где yi — i-й выходной параметр, R ? {равно, меньше, больше, больше или равно,
меньше или равно}
— вид отношения; Ti — норма i-го выходного параметра. В случае R = “равно”
нужно задать требуе-
мую точность выполнения равенства.
+-0B.-? >12340D -6E3=31;313E931=0:
расход топлива на 100 км пробега автомобиля < 8 л:
коэффициент усиления усилителя на средних частотах > 300;
быстродействие процессора > 40 Мфлопс.
'D:,,+H+7:=+> /45.D.2 + 3:8:/.-849, +,34DF?<./16 38+ :9-4/:-+?+849:004/
384.7-+-
849:0++. В автоматизированных проектных процедурах вместо еще не существующего
проектируе-
мого объекта оперируют некоторым квазиобъектом — /#-$45<, которая отражает
некоторые интере-
сующие исследователя свойства объекта. Модель может быть E'6'1$+%'/ объектом
(макет, стенд) или
+0$='E'%)='$;. Среди моделей-спецификаций различают упомянутые выше функциональные,
пове-
денческие, информационные, структурные модели (описания). Эти модели называют
/)&$/)&'1$+-
%'/', если они формализованы средствами аппарата и языка математики.
В свою очередь, математические модели могут быть геометрическими, топологическими,
дина-
мическими, логическими и т.п., если они отражают соответствующие свойства объектов.
Наряду с ма-
тематическими моделями при проектировании используют рассматриваемые ниже функциональные
IDEF0-модели, информационные модели в виде диаграмм сущность-отношение, геометрические
мо-
дели-чертежи. В дальнейшем, если нет специальной оговорки, под словом “модель”
будем подразуме-
вать математическую модель.
L)&$/)&'1$+%)9 E7*%='#*)45*)9 /#-$45 в общем случае представляет собой
алгоритм вычис-
ления вектора выходных параметров Y при заданных векторах параметров элементов
X и внешних па-
раметров Q.
Математические модели могут быть символическими и численными. При использовании
+'/(#-
4'1$+%', моделей оперируют не значениями величин, а их символическими обозначениями
(иденти-
фикаторами). M'+4$**.$ модели могут быть )*)4'&'1$+%'/', т.е. их можно
представить в виде явно
выраженных зависимостей выходных параметров Y от параметров внутренних X и
внешних Q, или
)48#"'&/'1$+%'/', в которых связь Y, X и Q задана неявно в виде алгоритма
моделирования. Важ-
нейший частный случай алгоритмических моделей — '/'&)='#**.$, они отображают
процессы в
системе при наличии внешних воздействий на систему. Другими словами, имитационная
модель —
это алгоритмическая поведенческая модель.
Классификацию математических моделей выполняют также по ряду других признаков.
Так, в зависимости от принадлежности к тому или иному иерархическому уровню
выделяют мо-
дели уровней системного, функционально-логического, макроуровня (сосредоточенного)
и микро-
уровня (распределенного).
По характеру используемого для описания математического аппарата различают
модели лингви-
стические, теоретико-множественные, абстрактно-алгебраические, нечеткие, автоматные
и т.п.
Например, на системном уровне преимущественно применяют модели систем массового
обслу-
живания и сети Петри, на функционально-логическом уровне — автоматные модели
на основе аппа-
рата передаточных функций или конечных автоматов, на макроуровне — системы
алгебро-дифферен-
циальных уравнений, на микроуровне — дифференциальные уравнения в частных производных.
Осо-
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
10
""
*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
бое место занимают геометрические модели, используемые в системах конструирования.
Кроме того, введены понятия полных моделей и макромоделей, моделей статических
и динамиче-
ских, детерминированных и стохастических, аналоговых и дискретных, символических
и численных.
!#4*)9 /#-$45 объекта в отличие от /)%"#/#-$4' описывает не только процессы
на внешних вы-
водах моделируемого объекта, но и внутренние для объекта процессы.
:&)&'1$+%'$ модели описывают статические состояния, в них не присутствует
время в качест-
ве независимой переменной. N'*)/'1$+%'$ модели отражают поведение системы,
т.е. в них обязатель-
но используется время.
:&#,)+&'1$+%'$ и -$&$"/'*'"#()**.$ модели различаются
в зависимости от учета или неуче-
та случайных факторов.
В )*)4#8#(., моделях фазовые переменные — непрерывные величины, в -'+%"$&*.,
— дис-
кретные, в частном случае дискретные модели являются 4#8'1$+%'/' (274$(./'),
в них состояние си-
стемы и ее элементов описывается булевыми величинами. В ряде случаев полезно
применение +/$-
> )**., моделей, в которых одна часть подсистем характеризуется аналоговыми
моделями, другая —
логическими.
D*E#"/)='#**.$ модели относятся к информационной страте автоматизированных
систем, их
используют прежде всего при инфологическом проектировании баз данных (БД) для
описания связей
между единицами информации.
Наибольшие трудности возникают при создании моделей слабоструктурированных
систем, что
характерно прежде всего для системного уровня проектирования. Здесь значительное
внимание уде-
ляется экспертным методам. В теории систем сформулированы общие рекомендации
по подбору экс-
пертов при разработке модели, организации экспертизы, по обработке полученных
результатов. До-
статочно общий подход к построению моделей сложных слабоструктурированных систем
выражен в
методиках IDEF.
Обычно в имитационных моделях фигурируют фазовые переменные. Так, на макроуровне
ими-
тационные модели представляют собой системы алгебро-дифференциальных уравнений
J(dV/dt, V, t) = 0, при t = 0 V = V0, (1.1)
где V — вектор фазовых переменных; t — время; V0 — вектор начальных условий.
К примерам фазо-
вых переменных можно отнести токи и напряжения в электрических системах, силы
и скорости — в
механических, давления и расходы — в гидравлических.
Выходные параметры систем могут быть двух типов. Во-первых, это 0)")/$&".-E7*%='#*)4.,
т.е. функционалы зависимостей V(t) в случае использования (1.1). Примеры таких
параметров: амп-
литуды сигналов, временные задержки, мощности рассеивания и т.п. Во-вторых,
это параметры, ха-
рактеризующие способность проектируемого объекта работать при определенных
внешних условиях.
Эти выходные параметры являются граничными значениями диапазонов внешних переменных,
в ко-
торых сохраняется работоспособность объекта.
M+3491. 384.7-01. 384=.5<81. Создать проект объекта (изделия или процесса)
означает вы-
брать структуру объекта, определить значения всех его параметров и представить
результаты в уста-
новленной форме. Результаты (проектная документация) могут быть выражены в
виде чертежей, схем,
пояснительных записок, программ для программно-управляемого технологического
оборудования и
других документов на бумаге или на машинных носителях информации.
Разработка (или выбор) структуры объекта есть проектная процедура, называемая
+&"7%&7"*./
+'*&$6#/, а расчет (или выбор) значений параметров элементов N — процедура
0)")/$&"'1$+%#8#
+'*&$6).
Задача структурного синтеза формулируется в системотехнике как 6)-)1) 0"'*9&'9 "$>$*';
(ЗПР). Ее суть заключается в определении цели, множества возможных решений
и ограничивающих
условий.
Классификацию ЗПР осуществляют по ряду признаков. По числу критериев различают
задачи
одно- и многокритериальные. По степени неопределенности различают ЗПР детерминированные,
ЗПР в условиях риска — при наличии в формулировке задачи случайных параметров,
ЗПР в услови-
5@!"! 7
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
11
""
*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
5@!"! 7
ях неопределенности, т.е. при неполноте или недостоверности исходной информации.
Реальные задачи проектирования, как правило, являются многокритериальными.
Одна из основ-
ных проблем постановки многокритериальных задач — установление правил предпочтения
вариан-
тов. Способы сведения многокритериальных задач к однокритериальным и последующие
пути реше-
ния изучаются в дисциплинах, посвященных методам оптимизации и математическому
программиро-
ванию.
Наличие случайных факторов усложняет решение ЗПР. Основные подходы к решению
ЗПР в ус-
ловиях риска заключаются или в решении “для наихудшего случая”, или в учете
в целевой функции
математического ожидания и дисперсии выходных параметров. В первом случае задачу
решают как
детерминированную при завышенных требованиях к качеству решения, что является
главным недо-
статком подхода. Во втором случае достоверность результатов решения намного
выше, но возникают
трудности с оценкой целевой функции. Применение метода Монте-Карло в случае
алгоритмических
моделей становится единственной альтернативой и, следовательно, для решения
требуются значи-
тельные вычислительные ресурсы.
Существуют две группы ЗПР в условиях неопределенности. Одна из них решается
при наличии
противодействия разумного противника. Такие задачи изучаются в &$#"''
'8", для задач проектиро-
вания в технике они не характерны. Во второй группе достижению цели противодействие
оказывают
силы природы. Для их решения полезно использовать теорию и методы *$1$&%',
/*#@$+&(.
Например, при синтезе структуры автоматизированной системы постановка задачи
должна включать в качестве ис-
ходных данных следующие сведения:
— множество выполняемых системой функций (другими словами, множество работ,
каждая из которых может со-
стоять из одной или более операций); возможно, что в этом множестве имеется
частичная упорядоченность работ, что мо-
жет быть представлено в виде ориентированного графа, в котором вершины соответствуют
работам, а дуги — отношени-
ям порядка;
— типы допустимых для использования серверов (машин), выполняющих функции системы;
— множество внешних источников и потребителей информации;
— во многих случаях задается также некоторая исходная структура системы в виде
взаимосвязанной совокупности
серверов определенных типов; эта структура может рассматриваться как обобщенная
избыточная или как вариант перво-
го приближения;
—различного рода ограничения, в частности, ограничения на затраты материальных
ресурсов и (или) на времена
выполнения функций системы.
Задача заключается в синтезе (или коррекции) структуры, определении типов серверов
(про-
граммно-аппаратных средств), распределении функций по серверам таким образом,
чтобы достигал-
ся экстремум целевой функции при выполнении заданных ограничений.
Конструирование, разработка технологических процессов, оформление проектной
документа-
ции — частные случаи структурного синтеза.
Задачу параметрического синтеза называют параметрической #0&'/'6)='$; (или
оптимизаци-
ей), если ее решают как задачу математического программирования
extr F(X), X ? Dx,
где F(X) — целевая функция; X — вектор управляемых (называемых также проектными
или варьиру-
емыми) параметров; Dx = {X| ?(X) < 0, ?(X) = 0} — допустимая область; ?(X)
и ?(X) — функции-ог-
раничения.
+-0B.-. Электронный усилитель: управляемые параметры X = (параметры резисторов,
конденсаторов, транзи-
сторов); выходные параметры Y = ( fв и fн — граничные частоты полосы пропускания;
K — коэффициент усиления на
средних частотах; Rвх — входное сопротивление). В качестве целевой функции
F(X) можно выбрать параметр fв, а усло-
вия работоспособности остальных выходных параметров отнести к функциям-ограничениям.
Следующая после синтеза группа проектных процедур — процедуры анализа. Цель
)*)4'6) —
получение информации о характере функционирования и значениях выходных параметров
Y при за-
данных структуре объекта, сведениях о внешних параметрах Q и параметрах элементов
N. Если зада-
ны фиксированные значения параметров N и Q, то имеет место процедура #-*#()"')*&*#8#
)*)4'6),
которая сводится к решению уравнений математической модели, например, такой,
как модель (1.1), и
вычислению вектора выходных параметров Y. Если заданы статистические сведения
о параметрах N
и нужно получить оценки числовых характеристик распределений выходных параметров
(например,
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
12
ВВЕДЕНИЕ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГЛАВА 1
оценки математических ожиданий и дисперсий), то это процедура статистического
анализа. Если
требуется рассчитать матрицы абсолютной А и (или) относительной В чувствительности,
то имеет
место задача анализа чувствительности.
Элемент Аji матрицы А называют абсолютным коэффициентом чувствительности, он
пред-
ставляет собой частную производную j-го выходного параметра yj по i-ому параметру
xi. Другими сло-
вами, Аji является элементом вектора градиента j-го выходного параметра. На
практике удобнее ис-
пользовать безразмерные относительные коэффициенты чувствительности Bji, характеризующие
степень влияния изменений параметров элементов на изменения выходных параметров:
Bji = Aji xiном / yjном,
где xiном и yjном — номинальные значения параметров xi и yj соответственно.
В процедурах многовариантного анализа определяется влияние внешних параметров,
разброса
и нестабильности параметров элементов на выходные параметры. Процедуры статистического
анали-
за и анализа чувствительности — характерные примеры процедур многовариантного
анализа.
1.3. Системы автоматизированного проектирования и их место среди других
автоматизированных систем.
Структура САПР. Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем (рис.
1.1). Разли-
чают подсистемы проектирующие и обслуживающие.
Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами
проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного
моделирования
механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического
анализа,
трассировки соединений в печатных платах.
Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем,
их
совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными
обслуживающи-
ми подсистемами являются подсистемы управления проектными данными (PDM — Product
Data
Management), управления процессом проектирования (DesPM — Design Process Management),
пользо-
вательского интерфейса для связи разработчиков с ЭВМ, CASE (Computer Aided
Software Engineering)
для разработки и сопровождения программного обеспечения САПР, обучающие подсистемы
для ос-
воения пользователями технологий, реализованных в САПР.
И.П.НОРЕНКОВ. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 13
Рис 1.1. Структура программного обеспечения САПР
""
*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
5@!"! 7
Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает появление ('-#( #2$+0$1$*'9
САПР. Принято выделять семь видов обеспечения:
— &$,*'1$+%#$ (ТО), включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные
уст-
ройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства);
— /)&$/)&'1$+%#$ (МО), объединяющее математические методы, модели и
алгоритмы для вы-
полнения проектирования;
— 0"#8")//*#$ (ПО), представляемое компьютерными программами САПР;
— '*E#"/)='#**#$ (ИО), состоящее из баз данных (БД), систем управления
базами данных
(СУБД), а также других данных, используемых при проектировании; отметим, что
вся совокупность
используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР,
а БД вместе
с СУБД носит название банка данных (БнД);
— 4'*8('+&'1$+%#$ (ЛО), выражаемое языками общения между проектировщиками
и ЭВМ, язы-
ками программирования и языками обмена данными между техническими средствами
САПР;
— /$&#-'1$+%#$ (МетО), включающее различные методики проектирования, иногда
к МетО от-
носят также математическое обеспечение;
— #"8)*'6)='#**#$ (ОО), представляемое штатными расписаниями, должностными
инструкци-
ями и другими документами, регламентирующими работу проектного предприятия.
%:?049+504,-+ *C"%. Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков,
например, по
приложению, целевому назначению, масштабам (комплексности решаемых задач),
характеру базовой
подсистемы — ядра САПР.
По 0"'4#@$*'9/ наиболее представительными и широко используемыми являются
следующие
группы САПР.
1. САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют
машиностро-
ительными САПР или MCAD (Mechanical CAD) системами.
2. САПР для радиоэлектроники. Их названия — ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic
Design Automation) системы.
3. САПР в области архитектуры и строительства.
Кроме того, известно большое число более специализированных САПР, или выделяемых
в ука-
занных группах, или представляющих самостоятельную ветвь в классификации. Примерами
таких си-
стем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов;
САПР элек-
трических машин и т.п.
По =$4$(#/7 *)6*)1$*'< различают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие
разные ас-
пекты (страты) проектирования. Так, в составе MCAD появляются CAE/CAD/CAM системы
:
1. САПР функционального проектирования, иначе САПР-Ф или CAE (Computer Aided
Engineering)
системы.
2. %#*+&"7%&#"+%'$ САПР общего машиностроения — САПР-К, часто
называемые просто CAD
системами;
3. &$,*#4#8'1$+%'$ САПР общего машиностроения — САПР-Т, иначе называемые
автоматизи-
рованными системами технологической подготовки производства АСТПП или системами
CAМ
(Computer Aided Manufacturing).
По /)+>&)2)/ различают отдельные программно-методические комплексы (ПМК)
САПР, на-
пример, комплекс анализа прочности механических изделий в соответствии с методом
конечных эле-
ментов (МКЭ) или комплекс анализа электронных схем; системы ПМК; системы с
уникальными ар-
хитектурами не только программного (software), но и технического (hardware)
обеспечений.
По ,)")%&$"7 2)6#(#; 0#-+'+&$/. различают следующие разновидности
САПР.
1. САПР *) 2)6$ 0#-+'+&$/. /)>'**#; 8")E'%' ' 8$#/$&"'1$+%#8#
/#-$4'"#()*'9. Эти САПР
ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является
конструирование,
т.е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. Поэтому
к этой груп-
пе систем относится большинство графических ядер САПР в области машиностроения.
В настоящее время появились унифицированные графические ядра, применяемые более
чем в одной САПР, это яд-
ра Parasolid фирмы EDS Unigraphics и ACIS фирмы Intergraph.
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
14
""
*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
5@!"! 7
2. САПР *) 2)6$ СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно
не-
сложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие
САПР преиму-
щественно встречаются в технико-экономических приложениях, например, при проектировании
биз-
нес-планов, но имеют место также при проектировании объектов, подобных щитам
управления в си-
стемах автоматики.
3. САПР *) 2)6$ %#*%"$&*#8# 0"'%4)-*#8# 0)%$&). Фактически
это автономно используемые
программно-методические комплексы, например, имитационного моделирования производственных
процессов, расчета прочности по методу конечных элементов, синтеза и анализа
систем автоматиче-
ского управления и т.п. Часто такие САПР относятся к системам CAE. Примерами
могут служить про-
граммы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты
типа MathCAD.
4. O#/04$%+*.$ ('*&$8"'"#()**.$) САПР, состоящие из совокупности
подсистем предыдущих
видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE/CAD/CAM-системы
в машино-
строении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проектирования
ком-
понентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов,
тестов для
проверки годности изделий. Для управления столь сложными системами применяют
специализиро-
ванные +'+&$/*.$ +"$-..
J<07=++, 6:8:7-.8+,-+7+ + 38+/.81 CAE/CAD/CAM-,+,-./. Функции CAD-систем
в ма-
шиностроении подразделяют на функции двухмерного (2D) и трехмерного (3D) проектирования.
К
функциям 2D относятся черчение, оформление конструкторской документации; к
функциям 3D — по-
лучение трехмерных моделей, метрические расчеты, реалистичная визуализация,
взаимное преобра-
зование 2D и 3D моделей.
Среди CAD-систем различают “легкие” и “тяжелые” системы. Первые из них ориентированы
преимущественно на 2D графику, сравнительно дешевы и менее требовательны в
отношении вычис-
лительных ресурсов. Вторые ориентированы на геометрическое моделирование (3D),
более универ-
сальны, дороги, оформление чертежной документации в них обычно осуществляется
с помощью
предварительной разработки трехмерных геометрических моделей.
Основные функции CAM-систем: разработка технологических процессов, синтез управляющих
программ для технологического оборудования с числовым программным управлением
(ЧПУ), моде-
лирование процессов обработки, в том числе построение траекторий относительного
движения инст-
румента и заготовки в процессе обработки, генерация постпроцессоров для конкретных
типов обору-
дования с ЧПУ (NC — Numerical Control), расчет норм времени обработки.
Наиболее известны (к 1999 г.) следующие CAE/CAD/CAM-системы, предназначенные
для машиностроения. “Тяже-
лые” системы (в скобках указана фирма, разработавшая или распространяющая продукт):
Unigraphics (EDS Unigraphics);
Solid Edge (Intergraph); Pro/Engineer (PTC — Parametric Technology Corp.),
CATIA (Dassault Systemes), EUCLID (Matra
Datavision), CADDS.5 (Computervision, ныне входит в PTC) и др.
“Легкие” системы: AutoCAD (Autodesk); АДЕМ; bCAD (ПроПро Группа, Новосибирск);
Caddy (Ziegler Informatics);
Компас (Аскон, С.Петербург); Спрут (Sprut Technology, Набережные Челны); Кредо
(НИВЦ АСК, Москва).
Системы, занимающие промежуточное положение (среднемасштабные): Cimatron, Microstation
(Bentley), Euclid
Prelude (Matra Datavision), T-FlexCAD (Топ Системы, Москва) и др. C ростом
возможностей персональных ЭВМ грани
между “тяжелыми” и “легкими” CAD/CAM-системами постепенно стираются.
Функции CAЕ-систем довольно разнообразны, так как связаны с проектными процедурами
ана-
лиза, моделирования, оптимизации проектных решений. В состав машиностроительных
CAE-систем
прежде всего включают программы для следующих процедур:
— моделирование полей физических величин, в том числе анализ прочности, который
чаще все-
го выполняется в соответствии с МКЭ;
— расчет состояний и переходных процессов на макроуровне;
— имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей
массо-
вого обслуживания и сетей Петри.
Примеры систем моделирования полей физических величин в соответствии с МКЭ:
Nastrаn, Ansys, Cosmos, Nisa,
Moldflow.
Примеры систем моделирования динамических процессов на макроуровне: Adams и
Dyna — в механических сис-
темах, Spice — в электронных схемах, ПА9 — для многоаспектного моделирования,
т.е. для моделирования систем, прин-
ципы действия которых основаны на взаимовлиянии физических процессов различной
природы.
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
15
""
*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
5@!"! 7
Для удобства адаптации САПР к нуждам конкретных приложений, для ее развития
целесообраз-
но иметь в составе САПР инструментальные средства адаптации и развития. Эти
средства представ-
лены той или иной CASE-технологией, включая языки расширения. В некоторых САПР
применяют
оригинальные инструментальные среды.
Примерами могут служить объектно-ориентированная интерактивная среда CAS.CADE
в системе EUCLID, содер-
жащая библиотеку компонентов, в САПР T-Flex CAD 3D предусмотрена разработка
дополнений в средах Visual C++ и
Visual Basic.
Важное значение для обеспечения открытости САПР, ее интегрируемости с другими
автомати-
зированными системами (АС) имеют интерфейсы, представляемые реализованными
в системе форма-
тами межпрограммных обменов. Очевидно, что, в первую очередь, необходимо обеспечить
связи
между CAE, CAD и CAM-подсистемами.
В качестве языков — форматов межпрограммных обменов — используются IGES, DXF,
Express (стандарт ISO
10303-11, входит в совокупность стандартов STEP), SAT (формат ядра ACIS) и
др.
Наиболее перспективными считаются диалекты языка Express, что объясняется общим
характе-
ром стандартов STEP, их направленностью на различные приложения, а также на
использование в со-
временных распределенных проектных и производственных системах. Действительно,
такие форма-
ты, как IGES или DXF, описывают только геометрию объектов, в то время как в
обменах между раз-
личными САПР и их подсистемами фигурируют данные о различных свойствах и атрибутах
изделий.
Язык Express используется во многих системах интерфейса между CAD/CAM-системами.
В частности, в систему
CAD++ STEP включена среда SDAI (Standard Data Access Interface), в которой
возможно представление данных об объек-
тах из разных систем CAD и приложений (но описанных по правилам языка Express).
CAD++ STEP обеспечивает доступ
к базам данных большинства известных САПР с представлением извлекаемых данных
в виде STEP-файлов. Интерфейс
программиста позволяет открывать и закрывать файлы проектов в базах данных,
производить чтение и запись сущностей.
В качестве объектов могут использоваться точки, кривые, поверхности, текст,
примеры проектных решений, размеры, свя-
зи, типовые изображения, комплексы данных и т.п.
"
40>-+. 4 CALS--.604D4@++. CALS-технология — это технология комплексной компьютери-
зации сфер промышленного производства, цель которой — унификация и стандартизация
специфика-
ций промышленной продукции на всех этапах ее жизненного цикла. Основные спецификации
пред-
ставлены проектной, технологической, производственной, маркетинговой, эксплуатационной
доку-
ментацией. В CALS-системах предусмотрены хранение, обработка и передача информации
в компью-
терных средах, оперативный доступ к данным в нужное время и в нужном месте.
Соответствующие
системы автоматизации назвали автоматизированными логистическими системами
или CALS
(Computer Aided Logistic Systems). Поскольку под логистикой обычно понимают
дисциплину, посвя-
щенную вопросам снабжения и управления запасами, а функции CALS намного шире
и связаны со
всеми этапами жизненного цикла промышленных изделий, применяют и более соответствующую
предмету расшифровку аббревиатуры CALS — Continuous Acquisition and LifeCycle
Support.
Применение CALS позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так
как описа-
ния многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся
ранее, хранятся в
базах данных сетевых серверов, доступных любому пользователю технологии CALS.
Существенно
облегчается решение проблем ремонтопригодности, интеграции продукции в различного
рода систе-
мы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных
организа-
ций и т.п. Ожидается, что успех на рынке сложной технической продукции будет
немыслим вне тех-
нологии CALS.
Развитие CALS-технологии должно привести к появлению так называемых ('"&7)45*.,
0"#'6-
(#-+&(, при которых процесс создания спецификаций с информацией для программно
управляемого
технологического оборудования, достаточной для изготовления изделия, может
быть распределен во
времени и пространстве между многими организационно автономными проектными
студиями. Среди
несомненных достижений CALS-технологии следует отметить легкость распространения
передовых
проектных решений, возможность многократного воспроизведения частей проекта
в новых разработ-
ках и др.
Построение открытых распределенных автоматизированных систем для проектирования
и уп-
равления в промышленности составляет основу современной CALS-технологии. Главная
проблема их
построения — обеспечение единообразного описания и интерпретации данных, независимо
от места
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
16
""
*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
5@!"! 7
и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных.
Структура про-
ектной, технологической и эксплуатационной документации, языки ее представления
должны быть
стандартизованными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом
разных кол-
лективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAE/CAD/CAM-системы.
Одна и та же конструкторская документация может быть использована многократно
в разных проек-
тах, а одна и та же технологическая документация адаптирована к разным производственным
услови-
ям, что позволяет существенно сократить и удешевить общий цикл проектирования
и производства.
Кроме того, упрощается эксплуатация систем.
Следовательно, информационная интеграция является неотъемлемым свойством CALS-систем.
Поэтому в основу CALS-технологии положен ряд стандартов, обеспечивающих такую
интеграцию.
Важные проблемы, требующие решения при создании комплексных САПР — управление
слож-
ностью проектов и интеграция ПО. Эти проблемы включают вопросы декомпозиции
проектов, распа-
раллеливания проектных работ, целостности данных, межпрограммных интерфейсов
и др.
'4/3D.7,01. :9-4/:-+?+849:001. ,+,-./1. Известно, что частичная автоматизация
зачас-
тую не дает ожидаемого повышения эффективности функционирования предприятий.
Поэтому пред-
почтительным является внедрение интегрированных САПР, автоматизирующих все
основные этапы
проектирования изделий. Дальнейшее повышение эффективности производства и повышение
конку-
рентоспособности выпускаемой продукции возможно за счет интеграции систем проектирования,
уп-
равления и документооборота.
Такая интеграция лежит в основе создания %#/04$%+*., +'+&$/ )(&#/)&'6)='',
в которых по-
мимо функций собственно САПР реализуются средства для автоматизации функций
управления про-
ектированием, документооборота, планирования производства, учета и т.п.
Проблемы интеграции лежат в основе технологии Юпитер, пропагандируемой фирмой
Intergraph. Пример сращива-
ния некоторых подсистем из САПР и АСУ — программный продукт TechnoDOCS (российская
фирма Весть). Его функции:
— интеграция программ документооборота с проектирующими пакетами (конкретно
с AutoCAD, Microstation и
другими программами, исполняемыми в Windows-средах и поддерживающими взаимодействие
по технологиям DDE или
OLE, разработанным фирмой Microsoft);
— ведение архива технической документации;
— маршрутизация работ и прохождение документации, контроль исполнения;
— управление параллельным проектированием, т.е. координацией проектных работ,
выполняемых коллективно.
Очевидно, что подобная интеграция является неотъемлемой чертой CALS-систем.
В основу
CALS-технологии положен ряд стандартов и прежде всего это стандарты STEP, а
также Parts Library,
Mandate, SGML (Standard Generalized Markup Language), EDIFACT (Electronic Data
Interchange For
Administration, Commerse, Transport) и др. Стандарт SGML устанавливает способы
унифицированно-
го оформления документов определенного назначения — отчетов, каталогов, бюллетеней
и т.п., а
стандарт EDIFACT — способы обмена подобными документами.
Одна из наиболее известных реализаций CALS-технологии разработана фирмой Computervision.
Это технология
названа EPD (Electronic Product Definition) и ориентирована на поддержку процессов
проектирования и эксплуатации из-
делий машиностроения.
В CALS-системах на всех этапах жизненного цикла изделий используется документация,
полученная на этапе про-
ектирования. Поэтому естественно, что составы подсистем в CALS и комплексных
САПР в значительной мере совпадают.
Технологию EPD реализуют:
— CAD — система автоматизированного проектирования;
— CAM — автоматизированная система технологической подготовки производства
(АСТПП);
— CAE — система моделирования и расчетов;
— CAPE (Concurrent Art-to-Product Environoment) — система поддержки параллельного
проектирования (сoncurrent
еngineering);
— PDM — система управления проектными данными, представляющая собой специализированную
СУБД ( DBMS
— Data Base Management System);
— 3D Viewer -система трехмерной визуализации;
— CADD — система документирования;
— CASE — система разработки и сопровождения программного обеспечения;
— методики обследования и анализа функционирования предприятий.
Основу EPD составляют системы CAD и PDM, в качестве которых используются CADDS5
и Optegra соответственно.
В значительной мере специфику EPD определяет система Optegra. В ней отображается
иерархическая структура из-
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
17
""
*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
5@!"! 7
делий, включающая все сборочные узлы и детали. В Optegra можно получить информацию
об атрибутах любого элемен-
та структуры, а также ответы на типичные для баз данных вопросы типа “Укажите
детали из материала P” или “В каких
блоках используются детали изготовителя Y?” и т.п.
Важной для пользователей особенностью Optegra является работа вместе с многооконной
системой визуализации
3D Viewer. Пользователь может одновременно следить за информацией в нескольких
типовых окнах:
— информационный браузер, в котором высвечиваются данные, запрашиваемые пользователем,
например, из поч-
тового ящика, Internet, корпоративных ресурсов, его персональной БД;
— окно структуры изделия, представляемой в виде дерева. Можно получать ответы
на запросы подсветкой деталей
Dj (листьев дерева), удовлетворяющих условиям запроса;
— 3D визуализатор, в этом окне высвечивается трехмерное изображение изделия,
ответы на запросы даются и в
этом окне цветовым выделением деталей Dj;
— окно пользовательского процесса, в котором в нужной последовательности в
виде иконок отображается перечень
задач, заданный пользователю для решения.
В системе Optegra связи между объектами задаются по протоколам стандартов STEP,
внешний интерфейс осуще-
ствляется через базу данных SDAI.
*+,-./1 <38:9D.0+> 9 ,4,-:9. 74/3D.7,016 :9-4/:-+?+849:0016 ,+,-./. Системы
управ-
ления в промышленности, как и любые сложные системы, имеют иерархическую структуру.
Если рас-
сматривать предприятие как систему верхнего уровня, то следующими уровнями
по нисходящей ли-
нии будут уровни завода, цеха, производственного участка, производственного
оборудования. Авто-
матизация управления реализуется с помощью автоматизированных систем управления
(АСУ).
Среди АСУ различают )(&#/)&'6'"#()**.$ +'+&$/. 70")(4$*'9
0"$-0"'9&'$/ (АСУП) и )(-
&
#/)&'6'"#()**.$ +'+&$/. 70")(4$*'9 &$,*#4#8'1$+%'/' 0"#=$++)/'
(АСУТП). АСУП охватывает
уровни от предприятия до цеха, АСУТП — от цеха и ниже (на уровне цеха могут
быть средства и
АСУП, и АСУТП).
В АСУП выделяют подсистемы, выполняющие определенные функции (рис. 1.2), типичными
среди них являются:
— календарное планирование производства, по-
требностей в мощностях и материалах;
— оперативное управление производством;
— сетевое планирование проектов;
— управление проектированием изделий;
— учет и нормирование трудозатрат;
— учет основных фондов;
— управление финансами;
— управление запасами (складским хозяйством);
— управление снабжением (статистика закупок,
контракты на закупку);
— маркетинг (статистика и анализ реализации,
контракты на реализацию, прогноз, реклама).
Процедуры, выполняющие эти функции, часто называют 2'6*$+-E7*%='9/', а маршруты
реше-
ния задач управления, состоящие из бизнес-функций, называют 2'6*$+-0"#=$++)/'.
+-0B.F690.. Как сказано выше, в САПР аналогичные понятия называют проектными
процедурами и маршру-
тами проектирования.
Существуют разновидности АСУП со своими англоязычными названиями. Наиболее
общую си-
стему с перечисленными выше функциями называют ERP (Enterprise Resource Planning).
Системы, на-
правленные на управление информацией о материалах, производстве, контроле и
т.п. изделий, назы-
вают MRP-2 (Manufacturing Resource Planning). В ERP, как и в САПР, важная роль
отводится системам
управления данными PDM. Если PDM обеспечивает управление конфигурацией проектов
и относит-
ся в большей мере к проектированию, то MRP-2 управляет данными, относящимися
к производству.
Для таких систем иногда используют также название MES (Manufacturing Execution
System).
Мировыми лидерами среди систем программного обеспечения АСУП являются системы
R3 (фирма SAP) и Baan IV
(Baan), широко известны также MANMAN/X (Computer Associates CIS), Еlite Series
(Tecsys Inc.), Mapix (IBM) и др. При-
мерами комплексных систем управления предприятием, созданных в России, служат
системы АККОРД фирмы Атлант Ин-
форм, а также системы фирм Галактика и Парус. Корпоративные информационные
системы разрабатывают также такие
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
18
%+,. ).2. Основные функции АСУП
""
*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
5@!"! 7
российские фирмы, как АйТи, R-Style и др.
Характерные особенности современных АСУП.
1. Открытость по отношению к ведущим платформам (UNIX, Windows, OS/2) и различным
СУБД и прежде всего мощным СУБД типа Oracle, Ingres, Informix, Sybase; поддержка
технологий ти-
па ODBC (Open Data Base Connection), OLE (Object Linking and Embedding), DDE
(Dynamic Data
Exchange); поддержка архитектур клиент/сервер. Важная характеристика — возможность
работы в
среде распределенных вычислений.
2. Возможность сквозного выполнения всех допустимых бизнес-функций или их части,
что
обеспечивается модульным построением (количество функций может превышать 100).
3. Адаптируемость к конкретным заказчикам и условиям рынка.
4. Наличие инструментальных средств, в том числе языка расширения или 4GL (языка
четвер-
того поколения). Так, в R3 используется язык ABAP/L, в Elite Series — язык
Informix-4GL.
5. Техническое обеспечение АСУП — компьютерная сеть, узлы которой расположены
как в ад-
министративных отделах предприятия, так и в цехах.
Очевидно, что для создания и развития виртуальных предприятий необходимы распространение
CALS-технологии не только на САПР, но и на АСУ, их интеграция в комплексные
системы информа-
ционной поддержки всех этапов жизненного цикла промышленной продукции.
Функциями АСУТП на уровнях цеха и участка являются сбор и обработка данных
о состоянии
оборудования и протекании производственных процессов для принятия решений по
загрузке станков,
по выполнению технологических маршрутов. Программное обеспечение АСУТП на этих
уровнях
представлено системой диспетчерского управления и сбора данных, называемой
SCADA (Supervisory
Control and Data Acquisition), а техническое обеспечение — персональными ЭВМ
и микрокомпьюте-
рами, связанными локальной вычислительной сетью. Кроме диспетчерских функций,
SCADA выпол-
няет роль инструментальной системы разработки программного обеспечения для
промышленных си-
стем компьютерной автоматизации, т.е. роль специфической CASE-системы. Для
систем АСУТП ха-
рактерно использование 0"#8")//'"7$/., %#*&"#44$"#(
(ПЛК или PLC — Progrаmmed Logic
Controller), — компьютеров, встроенных в технологическое оборудование.
Функции SCADA:
1. сбор первичной информации от датчиков;
2. хранение, обработка и визуализация данных;
3. управление и регистрация аварийных сигналов;
4. связь с корпоративной информационной сетью;
5. автоматизированная разработка прикладного ПО.
К разработке программ для программируемых контроллеров обычно привлекаются
не профес-
сиональные программисты, а заводские технологи. Поэтому языки программирования
должны быть
достаточно простыми, обычно построенными на визуальных изображениях ситуаций.
Например, ис-
пользуются различные схемные языки. Ряд языков стандартизован и представлен
в международном
стандарте IEC 1131-3.
На уровне управления технологическим оборудованием в АСУТП выполняются запуск,
тести-
рование, выключение станков, сигнализация о неисправностях, выработка управляющих
воздействий
для рабочих органов программно управляемого оборудования (NC — Numerical Control).
Для этого в
составе технологического оборудования используются системы управления на базе
встроенных кон-
троллеров.
C9-4/:-+?+849:001. ,+,-./1 5.D4384+?945,-9: (C*O). Информационные технологии
и ав-
томатизированные системы управления документами и документооборотом пользуются
все возраста-
ющим вниманием среди предприятий и фирм различного профиля, поскольку организация
работы с
документами существенно влияет на эффективность производственных и бизнес-процессов.
Такие
системы имеют как самостоятельное значение, так и играют важную роль в интегрированных
автома-
тизированных системах управления и проектирования. В соответствии
с другими
критериями классификации системы делопроизводства подразделяют на специализированные
и ком-
плексные, локальные и распределенные, фактографические и документографические
(полнотексто-
вые), заказные и тиражируемые.
предназначены для обеспечения санкционированного
досту-
па к документам. Характерные функции СУД:
— ввод документов, в частности, с помощью средств их автоматического распознавания;
— индексирование документов, например, оформление регистрационных карточек
с полями для
атрибутов; возможно атрибутивное индексирование — к атрибутам относятся автор
документа, дата
создания и ключевые слова или полнотекстовое индексирование — в индекс заносят
весь текст, но без
предлогов и окончаний некоторых слов.
— хранение документов;
— поиск нужных данных, который может быть атрибутивным в фактографических БД
или пол-
нотекстовым в случае слабоструктурированных документов;
— поддержка групповой работы над документами;
— разграничение прав доступа к документам;
— контроль и управление версиями документов, регламентирующие внесение в них
изменений;
— сбор и анализ статистических данных по параметрам документов и функционированию
системы;
— подготовка отчетов.
:'+&$/. 70")(4$*'9 -#%7/$*&##2#"#&#/ служат для управления
деловыми процессами про-
хождения и обработки документов в соответствующих подразделениях и службах
организации. Ха-
рактерные функции СДО:
— регистрация документов при их вхождении в систему;
— маршрутизация документов, учет их движения (маршрутизация может быть жесткой
при
фиксированных маршрутах или свободной); управление потоками документов обеспечивает
прохож-
дение документов по заданному маршруту с контролем внесения в них резолюций,
управление вне-
сением изменений включает систему приоритетов, средства протоколирования изменений;
— контроль исполнения предписываемых документами действий;
— защита информации при ее передаче между пунктами распределенной системы;
— автоматическое уведомление соответствующих лиц о состоянии документов и содержащихся
в них директив и рекомендаций;
— планирование работ, связанных с прохождением документов.
К +'+&$/)/ 70")(4$*'9 6*)*'9/' в области делопроизводства относят
системы, выполняющие
функции, характерные для интеллектуальных систем. Примеры таких функций:
— классификация документов по тем или иным признакам;
— взаимное связывание документов, например, с помощью гипертекста;
— тематический отбор документов;
— интеграция данных, поступающих из различных источников;
— аналитическая обработка данных;
— моделирование деловых процессов.
D*+&"7/$*&)45*.$ +"$-. в системах делопроизводства служат
для формирования систем дело-
производства, адаптированных к условиям конкретных предприятий и фирм. Часто
такое формирова-
ние производится путем дополнения некоторого базового компонента, в состав
системы входит соот-
ветствующий язык расширения.
Кроме перечня решаемых задач, выделяют следующие свойства и характеристики
систем дело-
производства:
— открытость, программные интерфейсы и форматы данных для обмена с другими
информаци-
онными системами;
— мобильность для инсталляции на ведущих платформах;
— модульное построение, что обеспечивает масштабируемость — возможность эволюционного
развития, адаптируемость, возможность внедрения на предприятиях по частям.
&
.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
20
""
*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*
5@!"! 7
— пользовательский интерфейс;
— быстродействие, временные затраты на выполнение задач;
— уровень защиты информации;
— соответствие стандартам информационных технологий;
— операционные среды и используемые СУБД, требования к аппаратным ресурсам.
— перенос документов по мере их устаревания на более дешевые носители.
В крупных АСД предусматривается распределенное хранение с доступом в режимах
как off-line,
так и on-line. В первом случае пользователь формирует запрос в виде совокупности
ключевых слов и
направляет его средствами электронной почты (E-mail), СДО выдает список релевантных
документов,
пользователь выбирает из списка нужные документы и посылает вторичный более
конкретный за-
прос, получая по E-mail запрошенные документы. Во втором случае используется
связь в реальном
времени, документ вызывается на экран компьютера и пользователь может непосредственно
его про-
сматривать и редактировать.
Современные корпоративные системы делопроизводства являются распределенными,
имеющи-
ми архитектуру клиент-сервер. На серверной стороне находят применение серверы
баз данных, пол-
нотекстовых документов, электронной почты, приложений, SQL- и Web-серверы.
На клиентской сто-
роне могут выделяться рабочие места пользователей, администратора и разработчиков
баз данных,
информационно-поисковых систем, форм документов и т.п. В частности, применяются
трехзвенные
распределенные системы.
Всю книгу можно скачать в pdf файле по этой ссылке: http://rk6.bmstu.ru/electronic_book/oap/CAD.PDF