Глава 3 структура системы автоматизации проектирования сау
§ 3.1. Концепция, принципы и их структурная реализация
На рис. 12 показан процесс создания САПР, из которого видно, что соответствующие этапы, полностью совпадая по названию и последовательности с аналогичными этапами создания любых других изделий промышленности, наполняются новым содержанием, характерным только для САПР и ее подсистем — инструментов проектировщика как нового продукта промышленного производства.
Специфика этого нового промышленного продукта состоит прежде всего в том, что он содержит в значительной части программные и технические средства вычислительной техники наряду с такими обязательными составляющими, как математическое, организационное и методическое обеспечения. Техническая документация и опытные образцы инструментов САПР включают в себя такие специфические части, которые ранее промышленно не выпускались, к ним относятся: проектные документы по математическим, лингвистическим, программным и другим компонентам каждого инструмента САПР; проектно-сметная строительная документация на установку ЭВМ, документация на комплектующие изделия технических средств САПР и на вновь разрабатываемые технические средства, которых нет среди выпускаемых промышленностью; опытные образцы программ и пакетов программ и т. п.
Важнейшее значение для создания и функционирования САПР имеет выбор ее структуры на уровне подсистем — инструментов САПР — и структуры подсистем на уровне компонентов, в них входящих. Подобно САУ, правильный выбор структуры САПР обеспечивает успешную эксплуатацию ее на конкретном проектном предприятии.
Знание структуры САПР необходимо также пользователю-проектировщику. Допустим, проектировщик — молодой специалист, пришедший на проектное предприятие, — получает задание на выполнение проектной процедуры. Зная, что для этого применяются инструменты САПР, он должен отыскать подходящий инструмент на соответствующей «полке» и определить связи этого инструмента с другими средствами САПР. Структура САПР является представлением таких «полок» с расположенными на них инструментами, их названиями, связями и реквизитами.
Рис.12 Процесс создания САПР
Существует несколько концепций создания САПР. Из них наиболее распространены полностью автоматические САПР и человеко-машинные системы. В результате предыдущих исследований по САПР САУ показано, что автоматическое проектирование САУ в обозримом будущем не представляется возможным ввиду гетерогенности и многосвязности процесса проектирования, большого числа неопределенных факторов, учет которых требует творческих способностей человека. Человеко-машинные системы автоматизации, в свою очередь, строятся на различных концепциях, в том числе на концепции разработки и внедрения САПР «сверху» как готовой системы вместо существующей традиционной системы проектирования; организации САПР только для информационного обслуживания проектировщика; создании САПР для выполнения только расчетных работ или только конструкторских работ. В соответствии с данным выше определением САПР и анализом процесса проектирования САУ (см. гл. 2) определим как основную концепцию САПР САУ в качестве инструментария проектировщика (разработчика, конструктора, технолога и испытателя) и положим ее в основу формирования структуры САПР и ее отдельных подсистем. Исходным является положение о том, что каждое из проектных предприятий представляет собой отдельную систему проектирования, имеет свои традиции, обученные стабильные кадры, специфику предметной области. Поэтому важно осуществить практический переход от этих существующих систем проектирования к системам именно автоматизированного проектирования.
Перечислим вытекающие из этой концепции основные принципы построения САПР.
1. Стратегия разработки и внедрения инструментов (подсистем) САПР «инструмент за инструментом», при этом не дожидаются того весьма отдаленного момента, когда САПР будет полностью создана и внедрена «сверху».
Так как разработка САПР проектного предприятия в соответствии с ее определением осуществляется с трудоемкостью от 100 до 500 человеко-лет и не позволяет одновременно ввести в действие все подсистемы, то реальный выход видится в предложенной стратегии с предварительным выбором последовательности ввода инструментов по критерию их наибольшей эффективности на каждом промежутке времени.
2. Каждый из инструментов САПР должен занять свое место в структуре САПР предприятия.
Предварительное обследование проектного предприятия и полученные при этом модели взаимодействия проектных процедур (см., например, рис. 2.11) позволяют определить состав инструментов САПР. Как уже отмечалось, наиболее простой подход при этом, ведущий к 100%-ной автоматизации проектирования,— «каждой проектной процедуре свой инструмент САПР». Однако этот идеальный случай практически нереализуем, так как существует уровень сложности некоторых проектных процедур, который не позволяет их автоматизировать имеющимися средствами (например, согласование ТЗ, выбор функциональной схемы ряда устройств САУ, построение чувствительных элементов САУ ЛА, ГСП и ШР). С другой стороны, существуют проектные процедуры, которые морально устарели и могут быть исключены из рассмотрения.
Отмеченные обстоятельства приводят к необходимости построения такой структуры САПР и ее отдельных подсистем — инструментов, чтобы обеспечить автоматизацию наиболее важных проектных процедур и взаимосвязь инструментов САПР как на уровне их компонентов, так и на уровне самих подсистем.
3. Интеллектуальность и адаптируемость инструментов САПР являются неотъемлемыми их признаками.
Инструменты САПР в принципе интеллектуальны, поскольку они решают задачи, традиционно решавшиеся проектировщиками — работниками интеллектуального, умственного труда. По мере совершенствования средств САПР все большее число интеллектуальной работы проектировщика передается инструментам САПР; это построение математических моделей объектов управления, анализ, синтез, моделирование, трассировка соединений элементов САУ, экспертные подсистемы САПР. Современные инструмента САПР должны строиться таким образом, чтобы исключить традиционного посредника между проектировщиком и ЭВМ в виде математиков-программистов, которые принимают задание от проектировщика, не подготовленного к работе на ЭВМ, реализую его на ЭВМ, и передают результаты проектировщику.
Быстрое изменение номенклатуры и условий функционирования объектов проектирования приводит к необходимости приспосабливать инструменты САПР к возникающим вновь процедурам проектирования. Это свойство адаптации должно быть сразу же заложено в САПР и во все ее компоненты, особенно в математические методы, алгоритмы и системную часть программного обеспечения.
4. Множественность «входных» и «выходных» языков в инструментах САПР в соответствии с естественными языками и диалектами проектировщиков в их предметной области. Многоязыкность является необходимостью, продиктованной самим процессом проектирования, в котором участвуют проектировщики различных категорий — «узкие специалисты» в своем деле: разработчики САУ и их устройств, конструкторы, механики, электронщики, оптики; соответствующие специалисты по технологии, испытаниям, планированию проектного процесса. Каждый из них «работает на своем профессиональном языке», созданном в течение длительной истории соответствующего технического устройства и системы. Поэтому в соответствии с концепцией инструментария проектировщика каждый инструмент должен включать в себя как обязательные компоненты языка проектировщика в его конкретной предметной области, иначе опять потребуется посредник между ЭВМ и специалистами по САУ и ее устройствам.
5. Информационное обеспечение САПР обязательно включает в себя динамические модели движения проекта от согласования ТЗ до передачи его на завод-изготовитель, в том числе всю справочную, нормировочную и другую информацию, необходимую для выполнения проектных процедур. Поэтому каждый инструмент САПР своим соответствующим компонентом «подсоединяется» к информационному обеспечению для получения от него необходимых для выполнения проектной процедуры данных (типовых проектных решений, данных ГОСТ, ОСТ и нормалей, результатов испытаний и т. д.) и для помещения в этот «банк» проектных решений и других данных, полученных в результате выполнения i-й проектной процедуры Пi принадлежит области значений П.
6. Среди инструментов САПР САУ важное место занимают инструменты разработчика программ — инструментальные системы программирования, служащие для разработки нового для промышленности продукта — программных средств, причем это в равной мере относится как к программам, реализуемым на элементах САУ — мини- и микропроцессорах (МКП), так и к программному обеспечению САПР.
7. Для выполнения сложных проектных процедур из отдельных инструментов строятся составные инструменты САПР. Такие составные инструменты становятся необходимыми при выполнении проектных процедур, эквивалентных макетированию. Например, составной инструмент «построение математических моделей» +«моделирование» позволяет проектировщику проигрывать интересующие его ситуации на модели так же, как он это делает на макете. Составные инструменты требуются при конструкторском проектировании. Объединяя, например, инструмент трехмерного изображения конструкторского блока с инструментом конструкторских расчетов его на прочность, упругость, устойчивость к различным возмущениям, получаем «составной инструмент» конструктора.
8. САПР САУ строится как система, предоставляющая проектировщику инструменты на всех этапах проектирования, а это значит, что функционально осуществляется инструментальное обеспечение: разработчика при выполнении им проектных процедур выбора прототипов проектируемой САУ и ее устройств, составлении математических моделей, анализа, синтеза САУ, выпуска принципиальной схемы, испытаний САУ; конструктора, осуществляющего проектные процедуры выбора конструкций всей системы, ее устройств и элементов, деталировку, расчет жесткостей, моментов инерции, динамической податливости, конструкторские испытания; технолога и испытателя, выполняющих соответствующие проектные процедуры.
9. При построении структуры САПР должны учитываться: максимальная типизация проектных решений; изменение традиционных форм документов, функциональных обязанностей проектировщиков обучение их применению ЭВМ и машинных методов; автоматизация документооборота; согласованность пропускной способности предыдущего и последующего звеньев процесса проектирования; однократность ввода исходных данных.
10. Обеспечение функциональной и структурной гибкости САПР заключается в выборе таких ее структурных решений, которые обеспечивали бы возможность дальнейшего эволюционного развития системы и ее адаптации к изменяющимся требованиям пользователя.
Перечисленные принципы определяют структуру САПР. Существует ряд структурных решений при построении САПР. Простейший подход при построении структуры САПР — отражение в ней схемы взаимодействия проектных процедур существующего процесса проектирования, при этом в случае идеального решения задачи автоматизации «каждой проектной процедуре своя подсистема, инструмент САПР» мы получим повторение схем, представленных, например, на рис.9,11.
В более реалистической постановке выделяются реально изготовленные типовые подсистемы — инструменты САПР, которые группируются по категориям проектировщиков и этапам проектирования. Таких подсистем САПР значительно меньше, чем проектных процедур. Структура САПР САУ из типовых инструментов-подсистем, построенная указанным способом, представлена в табл. 3.1. обучение их применению ЭВМ и машинных методов; автоматизация документооборота; согласованность пропускной способности предыдущего и последующего звеньев процесса проектирования; однократность ввода исходных данных.
Структура обеспечения САПР САУ, построенная иерархическим способом, представлена на рис. 13. На этом рисунке приведены только три вида обеспечении, остальные представляются аналогичным образом.
Каждое из основных обеспечений САПР САУ строится как трехуровневая ветвь дерева. Так, на верхнем уровне ветви «Техническое обеспечение» размещается центральный вычислительный комплекс (ЦБК), осуществляющий переработку информации, поступающей от расположенных на втором уровне иерархии терминальных станций проектировщиков (разработчиков, конструкторов, технологов, испытателей). Терминальные станции проектировщиков (ТСП), в свою очередь, получают информацию от терминалов проектировщиков (ТП), установленных непосредственно на рабочих местах в каждой самостоятельной группе проектировщиков. На рис.13 ТП разбиты по разрядам проектировщиков: ТП разработчика — ТР1 ...,ТРn1 конструктора — ТК1,...,ТК n1 и т. д. ТП, оборудованные средствами автоматизации проектных работ (исследований, расчетов, изготовления проектной документации), служат для ввода — вывода информации и изготовления проектных документов после получения проектных решений. ТСП служат для оперативной переработки информации непосредственно от ТП и для взаимодействия с ЦБК в случае превышения возможностей ТСП, в том числе при работе в диалоговом режиме, переработке больших объемов информации в сжатые сроки (например, обработка данных натурных испытаний САУ).
Рис. 13 Структура обеспечения САПР САУ
Ветвь дерева САПР САУ «Программное обеспечение» включает в себя операционные системы (ОС) программирования на верхнем уровне иерархии, которые представляют собой совокупность системных программ, обеспечивающих освобождение человека от технической работы с машинными языками, распределением ресурсов ЦВМ, управлением внешними устройствами, редактированием, загрузкой данных в память ЭВМ и рядом других посреднических операций между человеком и ЭВМ. На следующем уровне иерархии расположено прикладное программное обеспечение с системой управления пакетами прикладных программ (ППП). ППП — это комплекс программ, предназначенный для решения определенного класса задач проектирования, связанных между собой единой проектной процедурой (например, ППП построения математических моделей, ППП анализа, ППП компоновки узлов на чертеже и т. д.). Пакеты также разделены по принадлежности к различным категориям проектировщиков: разработчика, ПP1,... ,ПРN1; конструкторов ПК1,..., ПКN2; технологов ПТ1... ...,ПТN3; испытателей ПИ1..., ПИN4. Аналогично на рис. 13 строится иерархическая ветвь информационного обеспечения САПР. На втором уровне этой системы находится СУБД — система управления базами данных (БД).
Перейдем к рассмотрению отдельных видов обеспечения САПР.