Прогресс производства в современных условиях связывают с достижениями в области автоматизации производства. Поскольку проектирование и разработка технологии являются ступенью производства (логическим уровнем), то прогресс на этой ступени также должен определяться автоматизацией.
При неавтоматизированном проектировании результаты во многом определяются инженерной подготовкой конструкторов, их производственным опытом, профессиональной интуицией и другими факторами. Автоматизированное проектирование позволяет значительно сократить субъективизм при принятии решений, повысить точность расчетов, выбрать наилучшие варианты для реализации на основе строгого математического анализа всех или большинства вариантов проекта с оценкой технических, технологических и экономических характеристик производства и эксплуатации проектируемого объекта, значительно повысить качество конструкторской документации, существенно сократить сроки проектирования и передачи конструкторской документации в производство, эффективнее использовать технологическое оборудование с программным управлением. Автоматизация проектирования способствует более полному использованию унифицированных изделий в качестве стандартных компонентов проектируемого объекта.
Широкое внедрение компьютеризации в условиях научно-технического прогресса обеспечивает рост производительности труда в различных областях общественного производства. Главное внимание при этом обращается на те области, где рост производительности труда до применения ЭВМ проходил крайне медленно. Это, в первую очередь, области, связанные с приложением умственного труда человека, т.е. управление производством, проектирование и исследование объектов и процессов. Если производительность труда в сфере производства с начала века возросла в сотни раз, то в области проектирования только в 1.5 - 2 раза. Это обусловливает большие сроки проектирования новых объектов, что не отвечает потребностям развития экономики. Очевидность того факта, что развитие новой техники в современных условиях замедляется не столько отсутствием научных достижений и инженерных идей, сколько сроками и не всегда удовлетворительным качеством их реализации при конструкторско-технологической разработке, ни у кого не вызывает сомнения. Одним из направлений решения этой проблемы является создание и развитие систем автоматизированного проектирования (САПР).
Использован новый тип вычислительных моделей, отличающийся: - формой представления исходных и выходных параметров задачи, способом формирования и назначением синтезируемой программы, ориентированных на доопределение геометрических и территориальных свойств элементов моделей объектов количественного уровня САПР по ранее определенным свойствам с целью формирования описания их чертежей
Основными структурными элементами САПР являются подсистемы, которые подразделяются на проектирующие и обслуживающие. К проектирующим относят подсистемы, выполняющие проектные процедуры и операции, например расчетную, чертежно-графическую. К обслуживающим относят подсистемы, предназначенные для поддержания работоспособности проектирующих подсистем, например, подсистему управления данными.
В зависимости от отношения к объекту проектирования также различают объектно-ориентированные и объектно-независимые инвариантные системы.
Каждая подсистема САПР, как правило, создается в виде пакета программ (ПП), под которым понимается комплекс взаимосвязанных программ, обладающих специальной организацией, которая обеспечивает значительное повышение производительности труда пользователя при решении конкретных задач.
Общими особенностями организации ПП являются следующие:
Ориентация пакета на определенный класс задач. При этом ПП делятся на методо-ориентированные и проблемно-ориентированные. Первые предназначены для решения задач различными методами, например пакет алгоритмов параметрической оптимизации. Вторые пакеты предназначены для решения некоторого набора задач, различающихся как по постановке, так и по методам решения.
Каждый ПП обладает некоторым набором возможностей по методам обработки данных, формам представления результирующей информации и т.д. Это дает возможность пользователю выбрать требуемый вариант обработки данных.
Значительное снижение требований к уровню профессиональной подготовки инженера-пользователя в области программирования по сравнению с подготовкой математика-программирования.
Отличием построения моделей функций в СПРУТ является ориентация на метод обобщенных вычислительных моделей и метод программирование в ограничениях. Данные методы, с одной стороны, позволяют наиболее эффективно решать задачи параметризации, а, с другой стороны, обеспечивать наиболее гибкий аппарат представления функций в САПР.
Рассмотрим задачу программирования динамически недоопределенных вычислительных сетей. Имеется вычислительная сеть с узлами связанными не по значения «знаю», «хочу знать», а область определения как подмножество значений, заданное системой ограничений (двухсторонние, односторонние, набор интервалов). Эта система формульных отношений – та же самая, меняется лишь постановка задачи, которая заключается в следующем: «есть текущее недоопределенное состояние сети», «найти новое состояние, когда все ограничения соотнесены между собой». меняется процесс вывода, для чего предлагается новый алгоритм перерасчета (многократный пересчет в разные стороны, с некоторым критерием выбора пути) и доказывается его сходимость. Такой метод получил название «программирование в ограничениях».
Непосредственно в САПРе «СПРУТ» при постановке задачи значения могут быть либо «определены», либо «не определены». Задачу пользователь ставит самостоятельно, система же сама автоматически, исходя из сложившейся ситуации, ставит задачу в форме «дано» - «получить» и ищет пути ее решения. В вычислительной сети фреймы связаны между собой вычислениями. Приложением моделей является решение конкретной математической задачи «параметризация в САПР в условиях задач реконструкции и прямого диалогового проектирования».
Рассмотрим методы параметризации математических моделей, принятые в СПРУТ. Различаются такие типы вычислительных топологических моделей для труб: 1) соответствия стыков двух труб, связанных между собой; 2) соответствия стыков одной трубы. Вычислительная топологическая модель труб включает: 1) список из списков свойств концов труб, таких как: координаты, нормаль и радиус конца, наличие фланца; 2) функциональную модель взаимной зависимости элементов списков. Для случая использования вычислительной сети для расчета геометрических и территориальных свойств элементов структурной модели имеются отличия в способе ее трактовки и применения. Вычислительная модель используется нестандартным путем - не для поиска одного возможного пути решения задачи от данных условий до цели и последующего синтеза программы по структуре и набору базовых соответствий, а для доопределения модели.
Язык описания модели представляет собой некоторый обобщенный список, включающий в себя в качестве подсписков такие списки: 1) список элементов; 2) список свойств элементов; 3) список связей между элементами. Данный язык списков ссылается на библиотеку базовых соответствий для различных типов связей между элементами. Программа на данном языке по существу и является основой вычислительной модели, поскольку задает все возможные пути определения неопределенных параметров по ранее определенным.
Процесс моделирования на вычислительной сети в такой форме описания представляет собой итерационный процесс многократного прохождения по трассе трубопровода, который заканчивается в том случае, если при прохождении по трассе больше не возможно доопределить не одно свойство элементов. Возможна постановка и частичной цели решения задачи, т.е. отрисовка только части изображений для элементов, имеющих полностью определенный набор геометрических и территориальных соответствий. То есть предполагается, что степень доопределения модели может быть любая. Момент вызова доопределения может специально выбираться пользователем по желанию.
Совокупности параметров некоторого структурного элемента, рассматриваемых как шпации, объединяются в группы, т.е. фреймы. Фреймы связаны некоторыми отношениями в сеть. Отношения над фреймами делятся на два типа:
1) математические формулы, заданные над параметрами, составляющими фрейм;
2) отношения агрегации простых фреймов в более крупные фреймы. Простейший фрейм носит наименование «характерная точка» (ХТ).
ХТ - это центр сосредоточения всех функций в структурной модели объектов в САПР. Фактически это – идентифицируемая точка в пространстве, заданная как совокупность трехмерных координат точки и ряда ее свойств. Список свойств ХТ определяется контекстом, где она находится, т.е. устройством.
Пример свойства ХТ трубы: тип стыка (фланец, сварка,..), диаметр, нормаль стыка и т.д. Свойства ХТ – это собственные потенциалы физической точки из модели структур МЭО. Фактически же ХТ - это сложный объект и распадается на ряд базовых блоков (ББ), число которых не меньше числа собственных свойств ХТ. Каждый из таких ББ есть модель расчета некоторого свойства через другие свойства данной ХТ, а так же свойства других ХТ, связанных с данной ХТ. Т.о., имеется ББ "диаметр", "тип стыка" и т.д. Блок "нормаль стыка" сам является сложным блоком и распадается на ряд подблоков, являющихся ББ, задающих функции для расчета координат второго конца единичного вектора, начало которого совпадает с координатами собственно ХТ. Функциональная модель ББ – это базовая функция вычислительной сети.
Устройство - это именованная упорядоченная группа ХТ. Устройство имеет дополнительный набор собственных свойств. Устройства делятся по типам и подтипам, они отличаются: типами используемых ХТ, имеющих различный набор свойств; числом ХТ разных типов; набором свойств устройства в целом; типами и числом мат. моделей. Пример устройств: труба прямая, арматура типа 1 и т.д. Структурная модель устройства включает: общий список ХТ, необходимых для ориентации объекта в пространстве и обеспечивающих синтез его графической модели; подсписок ХТ, рассматриваемых как потенциальные точки стыков (ТС) устройств между собой; свойства объекта в целом как ряд дополнительных ХТ.
Функциональная математическая модель устройства связывает между собой пространственные координаты и свойства отдельных ХТ. Функциональная модель устройства есть вычислительная подсеть, связывающая зависимостями свойства некоторой совокупности ТХ.
Структурная модель так же подразумевает наличие некоторой специфической ХТ - внутренней границы блока-устройства. С внутренней границей устройства связана функциональная модель, определяющая зависимость значений свойств внутренних блоков со значение свойства трубы как единого целого. В данном случае таким свойством есть тип трубы "прямая" и т.д. Связи, возникающие между ХТ, составляющими устройство, подчиняются при этом некоторым ограничениям по расстоянию в пространстве некоторых измерений. Различные типы связей, возникающие между ТХ, отличаются: набором измерений, в котором упорядочены ХТ; расстояниями; составом передаваемых собственных потенциалов по связи. Например, рассмотрим тип связи между обычными ХТ и внутренней границей устройства. Тип связи между ХТ в этом случае – не пространственный в обычном смысле слова. Данное пространство это – внутриустройственное пространство. ХТ взаимодействует с устройством, если расстояние между ней и устройством меньше некоторой величины по некоторому измерению, составляющему упорядочивание на шкале «принадлежность к данному устройству». Т.е. расстояние между устройством и его ХТ по измерению «принадлежность к устройству» – «ноль». В этом случае все потенциалы ХТ входят в связь с устройством. Устройство на внешней границе имеет ряд собственных потенциалов, соответствующих потенциалам внутренних ХТ и составляющих возможные точки стыков. Т.о., на внешней границе устройства имеется ряд групп потенциалов, которые можно условно назвать "ХТ". Посредством данных "ХТ" устройство связывается с другими устройствами через точки стыков. Посредством внутренней границы устройства различные ХТ через функцию блока "внутренняя граница" связываются между собой по значениям параметров. На рис. 6 показана упрощенная структурная модель трубы.
Объект есть именованный упорядоченный список связанных между собой устройств. Объект так же имеет список собственных свойств. Возможные типы объектов: трасса трубопровода; набор строй-конструкций. Объектов в проекте может быть множество.
Структурная модель объекта включает: список устройств; список ХТ, необходимых для ориентации объекта в пространстве и синтеза графической модели объекта; подсписок ХТ, рассматриваемых как потенциальные точки стыков (ТС) объекта; свойства объекта в целом.
Функциональная модель объекта есть вычислительная подсеть, связывающая свойства ряда устройств, включая и сам объект, как специфическое устройство. Специфическое устройство (т.е. объект) – это внутренняя граница блока-объекта. Т.о., функциональная математическая модель объекта есть вычислительная подсеть, связывающая модели устройств между собой (включая собственно модель проекта как структурную единицу) посредством точек стыка (ТС).
Функция ТС есть внутренняя подфункция функциональной модели устройства, соответствующая зависимости собственных параметров некоторой "ХТ", являющейся собственным внешним параметром устройства, с "чужой" ХТ, относящейся к другому устройству. Данная подфункция, т.е. функциональная математическая модель соответствующего ББ выбирается из библиотеки, исходя из комбинации типов состыкованных устройств. Функциональная математическая модель ББ, участвующих в точке стыка, призвана соотнести по значениям все свойства всех состыкованных "ХТ". Число задействованных с двух сторон стыка ББ соответствует числу потенциалов точек стыка устройства.
Проект есть именованный список ряда моделей объектов. Проект так же имеет список собственных свойств. Функциональная математическая модель проекта связывает пространственные координаты, свойства отдельных характерных точек, входящих в устройства, свойства устройств, свойства объектов, как единиц проекта, а так же самого проекта как логической единицы. Примеры проектов: завод, цех, участок и т.д.
В системе СПРУТ:
1) Реализована предлагаемая концепция МЭО на количественном модельном уровне представления знаний об объекте за счет организации ряда интерфейсов с другими проблемно-ориентированными САПР;
2) Реализован механизм семантических сетей фреймов на языке ЛИСП как внутренняя форма представления моделей объектов, а так же механизм вычислительных сетей, определенный над внутренней формой представления моделей объектов, необходимый для независимого от процессов продукционного вывода редуцирования неопределенностей в модели;
3) Реализована та часть предлагаемой общей структуры БЗД, которая связана с библиотекой БС, как части внутренней модели объекта;
4) На основе данного подхода дано новое решение задачи реконструкции сложных технических объектов;
Использован новый тип вычислительных моделей, отличающийся:
- формой представления исходных и выходных параметров задачи,
- способом формирования и назначением синтезируемой программы, ориентированных на доопределение геометрических и территориальных свойств элементов моделей объектов количественного уровня САПР по ранее определенным свойствам с целью формирования описания их чертежей.