Форма - это вешнее очертание, наружный вид, контуры предмета. Способ человеческой деятельности, при котором форме отдается предпочтение перед содержанием носит название формализма.

В инженерном деле форма изделия определяется его геометрическими моделями и чертежами, то есть тем, чем занимаются современные САПР. Чертеж представляет собой конечный результат деятельности конструктора. Он может пояснить, как работает конструкция, но не может ответить на вопросы как и почему она была создана такой. Современные САПР не содержат этой информации, она остается вне компьютера, в головах разработчиков и их личных записных книжках, монографиях, справочниках, методиках, стандартах. Такое положение можно назвать детской болезнью формализма САПР.

В историческом плане полувековой возраст САПР является пока весьма небольшим. Однако для периода зрелости, в который должно вступить направление компьютеризации инженерной деятельности в новом веке, подобная детская болезнь становится неуместной.

Фундаментом зрелой интегрированной интеллектуальной системы должны стать инженерные знания и формируемые с их помощью концептуальные модели изделий, то есть содержание процесса и результатов проектирования. Что же касается формы, то она должна быть производной от содержания. Геометрические модели и чертежи будут по преимуществу генерироваться базами знаний, а имена информационных единиц, в которых будут храниться полученные таким образом геометрические и графические данные, станут одним из свойств концептуальной модели изделия. При необходимости эти данные можно будет отредактировать в графическом редакторе.

Рис. 1 Экран системы на этапе ввода исходных данных

На рисунках приведен пример работы интегрированной интеллектуальной системы компьютеризации инженерной деятельности, разработанной фирмой СПРУТ-Технология. В этом примере осуществляется проектирование зубчатого колеса. На экране, приведенном на рис.1, система запрашивает исходные данные, необходимые для проектирования. В их число входят: объем производства, вращающий момент, модуль, число зубьев и угол их наклона, ширина зубчатого венца. Объем производства качественно меняет конструкцию колеса, так как он определяет вид заготовки: прокат, свободная ковка, ковка в подкладных штампах, штамповка. Остальные данные необходимы для параметрического синтеза концептуальной модели зубчатого колеса, включая шероховатости поверхностей, допуски размеров и отклонений формы и положения. В число свойств входит имя фрагмента графической базы данных, в который помещен автоматически сгенерированный чертеж детали. Этот чертеж выводится в графическом окне по запросу конструктора (рис.2) и может быть отредактирован в графическом редакторе.

Рис. 2 Экран системы на этапе вывода автоматически сгенерированных чертежей

Здесь возникают два вопроса: зачем и как? Зачем нужна концептуальная перестройка САПР, что она даст и как ее осуществить?

Поскольку аббревиатура САПР в сознании большинства неразрывно связана с описанной выше "детской болезнью формализма", то для наименования нового поколения систем, основанных на концептуальных моделях мы будем использовать понятие система компьютеризации инженерной деятельности или сокращенно СКИД.

Основные цели компьютеризации инженерной деятельности

Технические системы создают для удовлетворения личных или общественных потребностей. Эти потребности определяют цели, для достижения которых создается система. В качестве целей обычно выступает изменение таких характеристик, как трудоемкость, себестоимость, длительность цикла процесса, качество изделий и т.п. Целевое назначение системы реализуется посредством ее технических функций, которые характеризуют способность преобразовывать вход в выход. Цель находится с техническим средством ее реализации в отношении “цель? средство”.

При создании любой технической системы необходимо стремиться к экономии трех категорий трудозатрат: прошлого или овеществленного труда, настоящего или живого труда, будущего труда, связанного с развитием системы.

Основной целью создания систем компьютеризации инженерной деятельности (СКИД) является экономия живого труда проектировщиков, конструкторов, технологов для повышения эффективности процесса проектирования и планирования, а также улучшения качества результатов этой деятельности.

Однако экономия живого труда инженеров должна достигаться не любой ценой, а с учетом необходимости экономии труда, вложенного в программные средства ее разработчиками. Кроме того каждая система имеет определенный жизненный цикл возникновения, развития и снятия с эксплуатации. Поэтому необходимо учитывать трудозатраты и на последующее после создания внедрение и совершенствование системы.

Проводя аналогию с материальным производством можно сказать, что в области автоматизации инженерного труда имеется основное производство, связанное с разработкой конструкторских и технологических проектов, и вспомогательное производство, связанное с созданием и сопровождением собственно программных средств.

В этой связи цели компьютеризации инженерной деятельности следует разбить на две группы: основные и вспомогательные. Данная статья посвящена рассмотрению основных целей.

Основные цели связаны с улучшением качества, сокращением трудоемкости, себестоимости и длительности цикла "проектирование - изготовление", а также затрат на натурное моделирование проектируемых объектов (рис.3).

Рис.3 Основные цели компьютеризации инжереной деятельности

Трудоемкость измеряется чистым временем в человеко-часах, затрачиваемым на разработку и корректировку технической документации, без учета ожиданий по организационно-техническим причинам.

Как следует из рис.3 для достижения цели сокращения трудоемкости необходимо располагать средствами автоматизации оформления графической и текстовой документации, средствами информационной поддержки и автоматизации принятия решений.

Исторически САПР начинался как средство автоматизации оформления графической и текстовой документации. На этом пути возникли графические редакторы, а также специализированные текстовые редакторы для оформления технологической документации.

Операции процесса проектирования можно разбить на два класса: рутинные (нетворческие) и творческие. К числу рутинных относятся расчеты по известным методикам, оформление технической документации, а также поиск информации, необходимой для выполнения процесса проектирования. Рутинные операции занимают не менее 70-75% от общей трудоемкости проектирования. Поэтому СКИД должны обеспечить, прежде всего, снижение трудоемкости именно этих операций за счет использования наиболее характерных свойств информационно-вычислительных систем: хранения и быстрой обработки больших массивов данных, а также быстродействующих устройств вывода текстовой и графической информации.

Автоматизировать в полном объеме творческие операции не представляется возможным. Однако, современные методы искусственного интеллекта, использующие в своей работе базы знаний, позволяют оказывать инженеру существенную помощь в принятии решений, предлагая ему на выбор допустимые альтернативы в местах, не поддающихся формализации.

Итак, для достижения максимально возможного сокращения трудоемкости проектирования системы компьютеризации инженерной деятельности должны быть интеллектуальными. Интеллектуализация ? это одна из трех основных концепций развития систем в XXI веке.

В концептуальном плане можно провести полезную аналогию между строительством и автоматизацией проектирования. Трудоемкость и себестоимость строительства зависят от используемых строительных материалов. Этими материалами могут быть бетон, кирпич, блоки, панели и целые строительные модули, например оснащенные туалетные и ванные комнаты. Чем крупнее элемент, тем быстрее и дешевле строительство, но меньше простора для архитектурного и дизайнерского творчества.

При использовании бетона неделимым элементом является песчинка. По этому из бетона можно получать строения с причудливой скульптурной формой. Однако процесс этот весьма трудоемок. В СКИД такими песчинками являются геометрические элементы: точки, прямые, окружности, поверхности и т.д. До уровня таких элементов приходится опускаться, когда у нас нет инженерных знаний по синтезу более крупных конструктивных элементов.

Архитектурно-строительные возможности кирпича меньше, чем у бетона, однако он позволяет создавать великолепные дворцы с удовлетворительной трудоемкостью. В автоматизированном проектировании аналогом кирпичей являются функциональные (концептуальные) элементы деталей, информация о которых содержится в конструкторских справочниках. Эти элементы делятся на три класса: конструкторские, технологические и информационные. К числу конструкторских относятся элементы рабочие, присоединительные и промежуточные.

Функции рабочих элементов заключаются в обеспечении взаимодействия изделия со средой. Присоединительные элементы необходимы для формирования сборочных единиц. Промежуточные элементы обеспечивают целостность, прочность, жесткость, гладкость поверхностей и уменьшение массы деталей.

Технологические элементы деталей необходимы для обеспечения базирования их в процессе обработки, а также для выхода инструмента в конце прохода обработки и облегчения сборки изделий.

Последний класс функциональных элементов деталей составляют информационные (таблички, надписи, указатели), предназначенные для обеспечения человека необходимой информацией.

Функциональные элементы деталей в совокупности со знаниями о технологии их изготовления формируют конструкторско-технологические модули, необходимые для автоматизированной генерации технологических процессов.

Аналогом крупноблочного строительства в СКИД является использование стандартных и унифицированных деталей. Такие детали имеют фиксированную структуру, то есть набор функциональных элементов и связей между ними. Также как и элементы они обладают параметризованными геометрическими и графическими моделями, а также базами знаний по их параметрическому синтезу. Стандартные детали, кроме того имеют базы данных, содержащие допустимые наборы значений параметров. К числу стандартных деталей относятся, например, крепежные, а унифицированными в редукторах могут быть зубчатые колеса, валы-шестерни и промежуточные валы.

"Панельное строительство" конструкций осуществляется с помощью унифицированных узлов. Например, применительно к редукторам в их число входят узлы валов быстроходных, промежуточных и тихоходных. Такие узлы должны обладать базами знаний по структурному и параметрическому синтезу.

Наконец, самыми крупными строительными компонентами при автоматизированном проектировании являются комплектующие сборочные единицы унифицированные собственного изготовления и покупные.

Очевидно, что минимальная трудоемкость достигается, когда по минимальному набору исходных данных инженер может сгенерировать интересующий его проект, как это было показано выше на примере зубчатого колеса. В данном случае зубчатое колесо представляет собой интеллектуальный объект или агент, который обладает знаниями о функциональных зависимостях между своими параметрами и геометрическими знаниями о вариантах своей конструкции. Желательно, чтобы интеллектуальными были объекты как можно более высокого уровня из числа перечисленных выше. Например, таким агентом может быть редуктор, в состав узлов которого входит зубчатое колесо. В таком случае деталировщику не нужно будет даже вводить исходные данные: они будут получены от вышестоящего объекта.

Длительность цикла измеряется календарным временем от получения задания до его завершения с учетом всех ожиданий по организационно-техническим причинам. Сокращение длительности цикла “проектирование - изготовление” обеспечивается посредством средств совмещенного проектирования (concurrent engineering) и виртуальных бюро.

Совмещенное проектирование обеспечивает возможность максимального запараллеливания процессов проектирования. Каждый специалист приступает к работе над проектом, как только появляются необходимые ему исходные данные.

Для реализации совмещенного проектирования необходимо создание интегрированных систем. Интеграция - это вторая основная концепция систем компьютеризации инженерной деятельности в XXI веке. Для ее воплощения необходимо использование единой концептуальной конструкторско-технологической модели данных.

Третья основная концепция систем XXI века - индивидуализация. Эта концепция направлена на минимизацию экономического показателя - отношения стоимости программно-технических средств к эффективности системы. Для достижения оптимума каждое рабочее место, имеющее определенное функциональное назначение, должно быть оснащено техническими средствами обладающими производительностью, потребной для выполнения этого назначения, а также необходимыми и достаточными программными средствами. Последнее означает, что персональные компьютеры должны иметь и персональные программные средства.

Концептуальные модели изделий

Концептуальные модели, как это следует из самого названия, формируются на основе системы понятий прикладной области (ПО). Понятие - это основная единица любой интеллектуальной деятельности, базовая конструкция представления знаний. Понятия именуют с помощью слов или словосочетаний естественного языка, которые играют роль знаков, или имен. Знак - это заменитель некоторого предмета, явления или события, используемый для накопления, хранения, переработки и передачи информации. Понятие может относиться ко множеству однотипных объектов или к конкретному единичному объекту.

Основными характеристиками понятия являются объем и содержание. Объем понятия - это множество (класс) всех объектов, обладающих существенными признаками понятия. Содержание понятия - совокупность всех существенных признаков (свойств) данного понятия, которые позволяют однозначно идентифицировать его среди множества других понятий.

Всякое системное описание ПО состоит из элементов и связей. При концептуальном моделировании в качестве элементов выступают понятия, а в качестве связей ? отношения понятий.

Каждому понятию при концептуальном моделировании, приписывают некоторое уникальное имя, или знак. С другой стороны, каждый конкретный объект, входящий в объем понятия, также должен иметь уникальное имя, или знак. При этом между замещаемым понятием или конкретным объектом и его именем возникает связь, которую называют обозначением, или ссылкой, на именуемое понятие

Объекты, составляющие объем понятия, различают с помощью значений признаков (свойств). В концептуальном моделировании признаки понятий делят на три типа: дифференциальные, характеристические и валентные. Дифференциальные признаки используют в качестве характеристики содержания понятия. Они соответствуют характеристикам объекта, которые представлены описательными атрибутами. Характеристические - это признаки, которые позволяют отличить объекты, относящиеся к объему одного и того же понятия. Они соответствуют идентификатору и указывающим атрибутам объекта. Валентные признаки обеспечивают связь между различными понятиями и соответствуют структурным переменным объекта, описываемым вспомогательными атрибутами.

Абстрагирование понятий - основной механизм, с помощью которого человек познает окружающий мир. Абстракция есть набор существенных признаков и связей понятий, используемых при решении данной задачи, и игнорирование несущественных.

Абстрагирование обеспечивает упорядочение, структуризацию и накопление информации о реальном мире, поэтому методы абстрагирования широко используют в концептуальном моделировании ПО. Основными типами абстрагирования являются агрегация и обобщение.

Агрегацию понятий используют в тех случаях, когда вновь порожденное понятие включает исходные понятия в качестве своих компонентов, или составных частей. Например, понятие “автомобиль” включает в качестве составных частей такие компоненты, как “кузов”, “шасси”, “двигатель”. Абстракция агрегации выражает связь понятий, которая семантически обозначается как “часть ? целое”.

Процессом, противоположным абстракции агрегации, является декомпозиция, при которой исходное понятие расчленяют на ряд независимых компонентов, каждый из которых обладает лишь частью признаков исходного понятия.

Абстракция агрегации связывают с отношением СОСТОИТ-ИЗ между агрегатом более высокого уровня и входящими в него понятиями.

Обобщение понятий - это форма порождения нового понятия на основе одного или нескольких подобных понятий, когда порождаемое понятие сохраняет общие признаки понятий, но игнорирует их более тонкие различительные признаки. Для обобщения возможен противоположный процесс, когда исходное понятие может делиться на несколько более узких понятий. Такой процесс называют специализацией, или ограничением понятий.

Обобщение понятий можно определить как такую операцию, в процессе выполнения которой осуществляется переход от понятий меньшего объема к понятию большего объема посредством исключения из содержания исходных понятий тех признаков, которые позволяют отличать их одно от другого.

Абстракцию обобщения связывают с отношением ЕСТЬ-НЕКОТОРЫЙ между видовыми и родовым понятиями.

В процессе обобщения более общее понятие относится к исходному как род к виду, а в процессе специализации ограниченное понятие соотносится с исходным как вид с родом.

Отличительная особенность обобщения по сравнению с агрегацией состоит в порядке наследования признаков обобщаемых понятий. Агрегация представляет собой такой процесс абстрагирования понятий, который можно рассматривать как синтез сложного понятия из простых. При этом понятие-агрегат, рассматриваемое как единое целое, включает все признаки исходных понятий. В абстракции обобщения, напротив, понятия-категории наследуют признаки обобщенного понятия. Однако не обязательно все признаки родового понятия наследуются видовыми понятиями. Обобщенное понятие может иметь ряд дополнительных признаков, определяемых его схемой. Эти признаки обычно характеризуют обобщенное понятие как некоторый класс. Чаще всего в качестве дополнительных признаков выступают признаки, определяемые с помощью агрегатных функций: среднее, количество, максимум, минимум и т.д.

Рис.4 Фрагмент концептуальной модели машиностроительных изделий

На рис.4 приведен фрагмент концептуальной модели машиностроительных изделий в нотации международного стандарта IDEF1X. Модель представляет собой семантическую сеть, то есть граф с помеченными вершинами и ребрами. В вершинах модели располагаются понятия в виде прямоугольников с заголовками, представляющими собой сокращенные наименования или знаки. Независимые понятия (изделие, материал) представляются прямоугольниками с острыми углами, а зависимые ? со скругленными. Связи между понятиями могут относиться к двум основным типам: род-вид или “есть-некоторый”, либо целое-часть или “состоит-из”. Родо-видовая связь помечается именем свойства родового понятия, называемого дискриминатором (например, вид-изделия). Метки на связях типа целое-часть позволяют сформировать предложение, например “изделие имеет размеры” или “размеры характеризуют изделие” (рис.4). Внутри прямоугольников записываются признаки, определяющие содержание понятия. На рис.4 из их числа приведены только характеристические признаки.

Упомянутая выше система компьютеризации инженерной деятельности, разработанная фирмой СПРУТ-Технология обеспечивает как построение концептуальных моделей, так и генерацию на их основе структур баз данных.