II. Содержание разделов и тем.

Раздел I.

1. Введение.

Компьютеризация — один из важнейших рычагов научно-тех­нического прогресса. Так как количество вновь разрабаты­ваемых приборостроительными отраслями промышленности из­делий удваивается каждые 15 лет, а их сложность—каждые 10 лет (в отдельных областях техники эти показатели еще выше), тре­бования к срокам и качеству их проектирования непрерывно рас­тут. До последнего времени возникающие проблемы реша­лись в основном за счет постоянного увеличения численности инженер­но-технического персонала и частично за счет роста производи­тельности труда проектировщиков. Такой экстенсив­ный путь раз­вития производительности признан неэффектив­ным. В мире про­изводительность труда за последние 100 лет в производстве возросла в среднем на 100%, а в проектирова­нии—на 20°/о. Внедрение средств вычислительной техники в практику проекти­рования на системной основе, создание систем автоматизирован­ного проектирования позволяют устранить это противоречие.

Применение математических методов и средств вычислитель­ной техники на всех этапах создания и организации серийного выпуска изделий электронной техники и радиоэлектронной аппа­ратуры дает значительный экономический эффект. Наи­большая эффективность применения средств вычислительной техники, в первую очередь электронных вычислительных ма­шин (ЭВМ), достигается при системном подходе к решаемой проблеме.

Можно выделить следующие автоматизированные системы, участвующие в общем цикле создания нового изделия и органи­зации его серийного выпуска на предприятиях:

— Автоматизированная система научных исследований (асни);

—система автоматизированного проектирования (САПР);

—автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП);

—автоматизированная система технологической подготовки производства (АСТПП);

—автоматизированная система управления производством на уровне предприятия (АСУП);

—автоматизированная система управления на уровне объеди­нения (главка), отрасли (АСУ).

2. Понятия об автоматизированной системе проектирования транспортных сооружений.

Под автоматизацией проектирования понимают приме­нение ЭВМ в процессе проектирования технических объектов. Автома­тизация проектирования — одно из главных направле­ний научно-технического прогресса. Это объясняется тем, что промышленный потенциал страны определяется не только воз­можностями массо­вого производства новейших изделий тех­ники, но и возможностя­ми их быстрого проектирования. И если конвейеры для массового производства изделий уже имеются почти во всех отраслях про­мышленности, то время создания «конвейеров» для массового проектирования новых изделий только наступает. На конвейер должны быть поставлены «умст­венные движения» высококвали­фицированного инженера-про­ектировщика. Система автоматизи­рованного проектирования по существу является своеобразным конвейером для проектирова­ния соответствующего изделия.

Создание САПР оказывает большое воздействие на развитие всех отраслей промышлен­ности. Практически во всех отраслях народного хозяйства созда­ются САПР, которые позволят резко поднять производительность проектно-конструкторских работ, быстрее создать новые высоко­качественные изделия, содейство­вать росту экономического по­тенциала страны.

История создания САПР коротка. Пожалуй, трудно назвать другую область человеческой деятельности, которая развивалась бы с такой быстротой. В истории САПР можно условно выде­лить три периода:

1) 1950—1960 гг. — теоретические исследования возможно­сти решения электротехнических и конструкторских задач на ЭВМ и создание первых программ для решения этих задач;

2) 1960—1970 гг. — разработка методов, алгоритмов и про­грамм решения отдельных задач из различных этапов проектиро­вания (составление математических моделей элек­тронных схем, анализ статического и динамического режима их работы, па­раметрическая оптимизация, статистический анализ и др.);

3) с 1970 г. — разработка САПР, продолжение работ, харак­теризующих первые два периода.

Основоположниками в создании отечественного САПР стали советские ученые и инженеры И. П. Норенкова, А. И. Петренко, Е. А. Бутакова, Г. К. Горанского, К. Я. Давиденко, Б. Ф. Высоцкого, В. А. Фроло­ва, Б. Н. Деньдобренко, В. Н. Ильина и др.

Автоматизация проектирования занимает особое место среди инфор­мационных технологий. Во-первых, автоматизация проектирования — син­тетическая дисциплина, ее составными частями являются многие другие современные информационные технологии. Так, техническое обеспечение систем автоматизи­рованного проектирования (САПР) основано на исполь­зовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные компьютеры и рабочие станции, есть примеры применения мейнфреймов. Математиче­ское обеспечение САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычисли­тельной математики, стати­стики, математического программирования, дис­кретной матема­тики, искусственного интеллекта. Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных про­граммных систем, основанных на операционных системах Unix, FreeBSD, Windows, язы­ках программирования С, C++, Visual Basic и других, современных CASE-технологиях, реляционных и объектно-ориентированных (визуально – программируемых) 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, расчеты с помощью логарифмической линейки или оформление от­чета на пишущей машинке стали анахронизмом. Предприятия, ведущие разра­ботки без САПР или лишь с малой степенью их использования, ока­зываются неконкурентоспособными как вследствие 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 относится к началу 60-х гг. Тогда были созданы программы для решения задач строительной ме­ханики, анализа электронных схем, проектирования печатных плат. Дальнейшее развитие САПР шло по пути создания аппа­ратных и программных средств машинной графики, повышения вычислительной эффективности 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 автома­тизация проектирова­ния стала необходимой составной частью подготовки инженеров разных специальностей, в том числе и в транспортном строительстве; инженер, не владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может считаться полноцен­ным специалистом.

Подготовка инженеров разных специальностей в области САПР включа­ет в себя базовую и специальную компоненты. Наиболее общие положения, модели и методики автомати­зированного проектирования входят в про­грамму курса, по­священного основам САПР, детальное изучение тех мето­дов и программ, которые специфичны для конкретных специ­альностей, предусматривается в профильных дисциплинах.

3. Понятие система и ее изменяемость. Модель и ее свойства.

Возможно решение двух видов технических задач:

• разработка технической системы (задача синтеза). Здесь конеч­ный вид системы еще неизвестен и невольно приходится опе­рировать с ее приближенными представлениями;

• исследование реальной системы (задача анализа). Здесь полу­чение обозримого и понятного описания, удобство работы и ре­альность проведения исследований требуют упрощения изу­чае­мой системы и исключения из рассмотрения второстепен­ных факторов.

Эффективность решения за­дачи зависит и оттого, на­сколько полно учтены все связи как меж­ду частями рассматри­ваемого объекта, так и с взаимодействую­щими с ним другими объектами. Поэтому целесообразно любой объект, сложный ли он или простой, рассматривать как систему.

Внутри такой системы можно выделить логически свя­занные бо­лее простые части - подсистемы,единство частных свойств кото­рых и образует качественно новые свойства сис­темы. С другой стороны, ряд систем могут быть взаимосвязан­ными и образовы­вать более общую систему, которую называютподсистемой.На­пример: система "лампочка" включает подсис­темы "цоколь", "колба", "нить накаливания", а с другой стороны, является частью, например, такой надсистемы, как "настольная лампа".

Все три понятия - подсистема, система, надсистема - от­носи­тельны и их конкретное содержание определяется назначе­нием объекта и условиями его применения. Так, в предыдущем примере система "настольная лампа" будет подсистемой для системы "жи­лая комната".

Технические системыпредназначены для людей, ими созда­ются и эксплуатируются. Поэтому человек также обязан рассмат­риваться в качестве одной из взаимодействующих сис­тем. При этом должно приниматься во внимание не только фи­зическое взаимодействие, но и духовно-эстетическое воздейст­вие.

Технические системы активно взаимодействуют и с окру­жающей средой, испытывая влияние внешних нагрузок, измене­ния температуры, влажности и других факторов. В то же время систе­мы сами оказывают влияние на эту среду, загрязняя ее продуктами износа и утечками веществ, выделяя тепло и т. п. Внешняя, или как ее еще называют - жизненная среда,также должна рассмат­риваться в качестве системы, взаимосвязанной с проектируемым объектом. Жизненная среда конкретизирует ус­ловия применения и производства объекта проектирования, влияет на выбор показате­лей качества.

Изменяемость во времени.Технические системы не воз­никают мгновенно и в никуда не исчезают, а как и живой орга­низм находятся в постоянном развитии. Эти системы и связан­ная с ни­ми деятельность последовательно проходят ряд этапов:

• планирование работы,

• проведение исследований и проектирование,

• производство,

• эксплуатация,

• утилизация (переработка и захоронение вышедшего из упот­ребления изделия).

Все вместе, т. е. период от возникновения потребности в соз­дании технической системы до ее ликвидации вследствие ис­чер­пания потребительских качеств, составляет жизненный цикл.Учет этапов жизненного цикла позволяет избежать неожиданно­стей и, следовательно, уменьшить издержки или даже предот­вратить воз­можный ущерб, рационально спланировать деятель­ность по соз­данию и обслуживанию объекта.

С другой стороны, техническая система возникает не на пус­том месте. Важно учитывать историю и предусматривать перспек­тивы развития и применения разрабатываемого объекта, а также областей науки и техники, на достижениях которых ба­зируются соответствующие разработки. Создание новых систем возможно двумя путями - эволюционным, посредством непре­рывных посте­пенных изменений в уже имеющейся системе (введение отдель­ных новых частей, улучшения работы преж­них), и революцион­ным, посредством значительных качествен­ных изменений (замена большинства частей старой системы на новые, разработка прин­ципиально нового объекта, как по конст­рукции, так и по техноло­гии производства).

Примеры применения указанных принципов и их осо­бенности будут приведены в следующих главах.

Всю жизнь нам постоянно приходится соприкасаться с раз­личными системами. Это - физические, биологические, соци­аль­ные, технические и иные системы, а также комбинированные сис­темы. С техническими системами, их разработкой, производ­ством и эксплуатацией, связана деятельность инженера(назва­ние про­исходит от латинского словаingeniumи переводится как "способность, изобретательность").

Техническая система -целостная, обладающая опреде­ленной структурой совокупность взаимосвязанных средств и предметов труда (элементов). Она включает такие виды продук­ции, как изде­лия (от небольшой гайки до огромных турбин) и сооружения (от мелких построек до крупных транспортных се­тей, технических комплексов, промышленных комбинатов). Вне людей технические системы не существуют - людьми разраба­тываются, изготовляют­ся и эксплуатируются, и уже изначально фактически являются частью комбинированных, человеко-тех­нических систем (их еще называют человеко-машинными сис­темами).

Свойства технических систем не сводятся к сумме свойств от­дельных ее элементов. И поэтому, работа с ними требует зна­ния, как составляющих их элементов, так и особенностей об­разованной на их основе всей системы в целом. Кроме того, характер и осо­бенности проектирования зависят от вида раз­рабатываемой систе­мы.

Упрощенное представление реальной системы и проте­каю­щих в ней процессов называется моделью.Построение моде­лей -моделирование,облегчает изучение имеющихся в системе объективных свойств и закономерностей, поскольку сложность любого материального объекта бесконечна вследствие неисчер­паемости материи и форм его взаимодействий внутри себя и с ок­ружающей средой.

Проектирование тесно связано с моделированием, так как не только включает в себя обе эти задачи, но и основывается на уме­нии выбора и применения тех или иных видов моделей. По­этому напомним основные понятия, используемые в моделиро­вании.