Использование вычислительной техники для решения проектных задач

С точки зрения сложности проектных задач и средств, используемых для их решения, можно выделить четыре уровня сложности. К первому, наиболее простому уровню, относятся задачи, которые решаются без непосредственного использования математических моделей проектируемого объекта и средств вычислительной техники. Ко второму уровню могут быть отнесены задачи, которые уже требуют построения математических моделей, однако таких, которые могут быть решены аналитическими методами без привлечения вычислительной техники. К третьему уровню сложности относятся задачи, в основе которых лежат математические модели, реализуемые с помощью ЭВМ. Наконец, к четвёртому, наиболее сложному случаю, относятся проектные задачи, решаемые в рамках САПР (системы автоматизированного проектирования).

САПР представляет собой комплекс аппаратных и программных средств, которые позволяют автоматизировать многие проектные действия: осуществлять поиск необходимой информации и её хранение в памяти; выполнять различные вычислительные операции, заданные алгоритмом программы; компоновать структурные схемы проектируемого объекта; выполнять ввод и вывод данных и т. д.

Рассмотрим две принципиальные схемы решения проектной задачи, в одной из которых используется только ЭВМ, а в другой - весь комплекс средств автоматизированного проектирования (АЛ).

Технологическая схема решения задач на ЭВМ выглядит следующим образом. Пользователь (ПЗ), желающий решить свою задачу на ЭВМ, обращается к математику (М) (алгоритмисту), который строит формализованную схему объекта (исследуемой системы или процесса) и его математическую модель. В свою очередь алгоритмист обращается к программисту (ПР), создающему программу на основе математической модели решаемой задачи. Программа закладывается в ЭВМ и выходные данные, полученные при реализации программы, выносятся на печать и возвращаются к пользователю. Описанная технологическая цепочка решения задачи показана на рисунке 1.1.

По результатам анализа выходных данных пользователь может внести корректировки в исходную информацию и повторно выполнить решение задачи.

При большом наборе изменяющихся параметров и вариантов решение задачи в такой последовательности занимает много времени (с учётом отладки программы – два-три месяца и более), даже при использовании быстродействующей ЭВМ.

Но длительность решения задачи можно сократить, приблизив пользователя к ЭВМ.

Рассмотрим схему решения задачи в системе автоматизированного проектирования.

САПР, выполняемые на базе ЭВМ, оснащаются дисплеями, телетайпными пультами, специальными графическими устройствами ввода-вывода, обеспечивающих работу пользователя в режиме графического взаимодействия с ЭВМ. В САПР ЭВМ имеет библиотеку программ (и подпрограмм), которые могут быть использованы различными пользователями для решения различных задач. Скажем, нужно просчитать варианты какого-либо механизма. Из библиотеки программ пользователь вызывает программу «механизмы», позволяющую исследовать практически любые варианты механизмов, а не какой-то один вариант, для которого разработана специальная программа, как это было при решении задачи по описанной выше схеме.

Аппаратные средства САПР позволяют пользователю, подключаясь к дисплеям (Д), следить за ходом решения задачи и при необходимости вносить соответствующие коррективы в значения параметров или в схему исследуемой системы, не дожидаясь окончания счёта и вывода результатов на печать. Технологическая цепочка решения задачи в этом случае может быть представлена схемой, изображённой на рисунке 1.2.

Как видим, здесь, в отличие от технологической цепочки решения задачи на ЭВМ вне системы автоматизированного проектирования (рисунок 1.1), пользователь находится в середине цепочки, т. е. приближен к ЭВМ, что, естественно, ускоряет решение задачи.

Но могут быть трудности и другого характера. Пользователь не всегда точно знает, чего хочет, и математик, алгоритмирующий задачу, поневоле упрощает её, теряет или отбрасывает многое из того, без чего математическая модель становится неполной или неадекватной реальной системе, которую она формализует. В других случаях пользователь не сообщает алгоритмисту всю необходимую информацию или опрометчиво соглашается на предлагаемое упрощение. Очевидно, что во всех этих случаях конечные результаты, получаемые при реализации математических моделей на ЭВМ, не могут удовлетворить пользователя.

Применение САПР для проектирования сложных технических систем, к которым, в частности, относится современная машинная техника и оборудование, используемые в лесной и деревообрабатывающей промышленности, потребовало коренного пересмотра методов и процедур традиционного проектирования применительно к новым возможностям, которые открываются с внедрением средств автоматизации.

1.3 Основные требования при создании САПР

При создании САПР руководствуются следующими основными принципами:

§ принцип системного единства, означающий взаимозависимость отдельных компонентов, образующих целостную систему автоматизированного проектирования, и характеристики которых обуславливают характеристики системы в целом;

§ принцип совместимости означает возможность совместного функционирования всех компонентов системы, в частности, совместимость языков, символов, кодов, информационных и технических характеристик САПР;

§ принцип типизации ориентирует на преимущественное использование в САПР типовых и унифицированных элементов, имеющих перспективу многократного применения;

§ принцип развития означает возможность пополнения, совершенствования и обновления составных частей САПР и расширение взаимосвязи с автоматизированными системами различного условия и различного функционального назначения. Системы, позволяющие реализовать этот принцип, называются открытыми развивающимися системами.

Создание САПР связано с выполнением определенных требований, определяющих специфику автоматизированного проектирования и учитывающих современные тенденции развития САПР. Отметим основные из них:

1) разработка машинных программных средств автоматизации ввода и вывода данных, передачи и обработки различной проектной информации;

2) создание банков данных, содержащих систематизированные сведения справочного характера, необходимых для автоматизированного проектирования;

3) автоматизация решения расчетных задач, в том числе задач, связанных с нахождением оптимальных проектных решений. Для решения таких задач используются как эвристические, так и математические методы и процедуры и средства вычислительной техники;

4) создание интегральных систем автоматизированного проек тирования, позволяющих перейти от автоматизации отдельных проектных процедур к автоматизации всей проектно-конструкторской деятельности на основе объединения в единое целое средств автоматизированной обработки проектной документации на малых ЭВМ с задачами, решаемыми на больших вычислительных машинах. Такие интегральные системы должны базироваться на мощной разветвленной вычислительной сети с развитым периферийным оборудованием, ориентированным на ввод, обработку и выдачу текстовой и графической информации;

5) повышение качества оформления проектной документации;

6) обеспечение оперативного взаимодействия человека и ЭВМ в процессе проектирования на основе совершенствования методологии диалога и принятия проектных решений;

7) обеспечение высокой эффективности с возможно большим использованием унифицированных модулей.

Выполнение этих требований противоречиво: высокая эффективность САПР, выражающаяся прежде всего малыми временными и материальными затратами при решении проектных задач, достигается, в основном, за счет специализации систем, что противоречит требованию использования в системе унифицированных модулей;

8) обеспечение информационной согласованности программ, используемых в САПР.

Информационная согласованность означает, что все или большинство последовательно выполняемых процедур при решении проектных задач должны обслуживаться согласованными программами. Две программы считаются согласованными, если данные переработки, составляющие числовые массивы одной программы, не требуют изменений при переходе к другой программе. Информационные связи и согласованность может проявляться и в том, что результаты решения одной задачи будут исходными данными для другой задачи. Плохая информационная согласованность превращает САПР в совокупность автономных программ, что снижает качество проектных решений.

Классификация САПР

САПР могут классифицироваться по: характеру и назначению проектируемых объектов; уровню и комплексности автоматизации проектирования, характеру и числу выпускаемых документов; числу уровней в структуре технического обеспечения.

По назначению проектируемых объектов можно выделить следующие группы САПР:

1) САПР изделий машиностроения;

2) САПР изделий приборостроения;

3) САПР технологических процессов в машино- и приборостроении;

4) САПР объектов строительства;

5) САПР технологических процессов;

6) САПР программных изделий;

7) САПР организационных систем.

По сложности объектов проектирования выделяют САПР:

1) простых объектов, содержащих до 10² составных частей;

2) объектов средней сложности, содержащих от 10² до 10³ составных частей;

3) сложных объектов, содержащих от 10³ до 10⁴ составных частей;

4) очень сложных объектов, содержащих от 10⁴ до 10⁶ составных частей;

5) объектов очень высокой сложности, содержащих свыше 10 составных частей.

Составной частью объекта проектирования изделия, сооружения или технического комплекса является деталь. При оценке сложности технологического процесса можно исходить либо из числа выделенных в данном процессе элементарных операций, либо разделение процесса на составные части связать с номенклатурой выпускаемой технологической документации.

По уровню автоматизации проектирования различают САПР:

1) низкоавтоматизированные, в которых число автоматизированных проектных процедур составляют до 25 % общего числа проектных процедур;

2) среднеавтоматизированные, вкоторых число автоматизированных процедур составляет от 25 до 50 % общего числа проектных процедур;

3) высокоавтоматизированные, в которых число автоматизированных процедур составляет от 50 до 75 % общего числа проектных процедур.

В группе высокоавтоматизированных САПР применяются методы многовариантного оптимального проектирования.

По комплексности автоматизации этапов проектирования, установленных для данного объекта, различают САПР:

1) одноэтапные, в которых автоматизирован один этап из всех установленных этапов;

2) многоэтапные, в которых автоматизировано несколько этапов проектирования из всех установленных для объекта;

3) комплексные, выполняющие все этапы проектирования, установленные для объекта.

По характеру выпускаемой проектной документации различают САПР:

1) текстовые, выполняющие только текстовые документы на бумажной ленте или листе;

2) текстовые и графические, выполняющие текстовые и графические документы на бумажной ленте или листе;

3) выполняющие документы на машинных носителях;

4) выполняющие документы на фотоносителях.

По количеству выпускаемых проектных документов различают САПР:

1) малой производительности, выпускающих до 10⁵ проектных документов в пересчете на формат 2 за год;

2) средней производительности, выпускающих от 10⁵ до 10⁶ проектных документов в год;

3) высокой производительности, выпускающих свыше 10⁶ документов в год.

По числу уровней в структуре технического обеспечения различают САПР:

1) одноуровневые, построенные на базе ЭВМ среднего или высокого класса со штатным набором периферийных устройств, который может быть дополнен средствами обработки графической информации;

2) двухуровневые, построенные на базе ЭВМ среднего или высокого класса и одного или нескольких АРМ (рабочих автоматизированных мест проектировщиков), которые включают мини-ЭВМ;

3) трехуровневые, построенные на базе ЭВМ высокого класса, АРМ и периферийного программно-управляемого оборудования.

Состав САПР

На базе технического и программно-информационного обеспечения формируется система автоматизированного проектирования. При этом можно указать на два подхода к построению САПР. Один подход состоит в том, что в качестве основной базовой конструкции САПР являются автоматизированные рабочие места проектировщиков - АРМ, состоящие из минимального необходимого набора технических и программных средств для организации проектирования тех или иных объектов - деталей машино- или приборостроения, технологических процессов их изготовления, создания управляющих программ для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и т. д.

Другой подход к построению САПР исходит из того, что автоматизированная система проектирования представляет собой структурированное объединение программных модулей (ПМ), каждый из которых характеризуется набором технических и программных средств для выполнения отдельной программной процедуры.

Хотя проектные модули, как и специализированные (проектирующие) системы САПР, функционируют автономно, полученные ими результаты в виде промежуточных проектных решений подлежат обязательному согласованию как на горизонтальном, так и на вертикальным уровнях в соответствие с установленной иерархией. Функции согласования выполняет операционная система ЭВМ в соответствие с заданным алгоритмом.

В зависимости от уровня САПР выбирают средства технического обеспечения. В многоуровневых САПР на высшем уровне предполагается наличие одной или нескольких ЭВМ (типа ЕС ЭВМ) высокой производительности, рассчитанных на решение проектных задач, требующих больших затрат машинного времени и памяти. На низших уровнях иерархий могут быть использованы ЭВМ средней производительности, а также мини- и микро- ЭВМ, персональные ЭВМ (ПЭВМ), входящие в состав APМ (т. е. терминальные ЭВМ).

АРМ представляет собой автоматизированное рабочее место, состоящее из мини-ЭВМ или супермини-ЭВМ, набора периферийных устройств, обеспечивающих ввод и вывод информации в символьной и графической форме, и необходимого программного обеспечения. АРМ предназначены для решения сравнительно несложных проектных задач, а также для управления работой комплекта периферийного оборудования и для организации обменов информации между различными уровнями комплекса технических средств.

На большинстве типов АРМ могут одновременно работать несколько пользователей, для чего в составе АРМ выделяются несколько рабочих мест-терминалов с минимально необходимым набором оборудования для работы проектировщика.

Для САПР выпускаются АРМ трех семейств: супер-АРМ, средне-АРМ и микро-АРМ. Супер-АРМ предназначены для решения сложных проектных задач в автономном режиме, они содержат инвариантные пакеты прикладных программ и специальные графические процессоры для трех- и двухмерного представления объектов проектирования. Средние АРМ предназначены для решения проектных задач средней сложности в автономном режиме и в составе двух уровней САПР, имеют графический процессор для двух- и трехмерного представления проектируемых объектов, а также инвариантные пакеты прикладных программ, т. е. программ, непосредственно независящих от специфики объектов проектирования, которые обычно используются для решения типовых инженерных задач.

Наконец, микро-АРМ предназначены для решения простых конструкторских и технологических задач в автономном режиме и в составе технических средств двухуровневой САПР. Они также имеют графический процессор для двухмерного изображения проектируемого объекта, инвариантные пакеты прикладных программ для решения типовых инженерных задач.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные этапы развития САПР.

2. Назовите уровни сложности проектных задач и средств, используемых для их решения.

3. В чем различие при решении технической задачи с использованием только ЭВМ и с использованием комплекса технических средств САПР?

4. Назовите основные принципы САПР.

5. Назовите требования, определяющие специфику автоматизированного проектирования.

6. Назовите, по каким признакам классифицируют САПР.

7. Приведите классификационные схемы САПР и укажите основные признаки, по которым они классифицируются.

8. Назовите состав и типы АРМ, их назначение.