Перспективы развития автоматизированного проектирования

Автоматизация проектирова­ния как научно-техническое направление находится в стадии становления. САПР будущего окажутся значи­тельно более высокопроизводительными, удобными и разносторонними системами по сравнению с имеющими­ся в настоящее время. Основные направления, по кото­рым развиваются САПР, связаны с распространением автоматизации проектирования на все этапы и уровни проектирования сложных объектов, с комплексным и взаимосвязанным решением задач различных этапов и уровней (так называемое сквозное проектирование), с повышением степени автоматизации при решении задач синтеза, с обеспечением общения с ЭВМ в естественных для человека формах. Развитие АП способствует уско­рению научно-технического прогресса в конкретных об­ластях техники, созданию новых более эффективных и сложных изделий. Обратное влияние достижений в кон­кретных предметных областях на АП выражается в по­явлении стимулов для дальнейшего развития, в поста­новке новых задач перед разработчиками средств и ме­тодов САПР.

Важно отметить, что прогресс в области АП требует усилий ученых и инженеров во многих сферах научно-технической деятельности, определяющих состояние и возможности различных средств автоматизации проекти­рования. Для проектирования новых сверхсложных объ­ектов недостаточно только развивать средства вычисли­тельной техники, необходимы новые подходы к матема­тической формулировке задач и поиск методов их решения.

Функционирование сложных программных систем не будет эффективным без удовлетворительного решения проблем информационного обеспечения. Не могут оста­ваться неизменными при развитии САПР организационные формы деятельности инженерных коллективов, формы документооборота, содержание подготовки инженер4-ных кадров.

Рассмотрим ближайшие перспективы развития средств АП.

Техническое обеспечение. Структуры технического обеспечения САПР развиваются в направлении создания как высокоэффективных автономных комплексов техни­ческих средств на базе мини-ЭВМ, так и объединения разнородных средств АП в вычислительные сети. Воз­можности решения многих задач проектирования зави­сят от производительности и емкости памяти наиболее высокопроизводительных ЭВМ в составе САПР.

Ожидается создание супер-ЭВМ с производительно­стью 109... 1010 операций/с, и автоматизация проектирова­ния станет одной из первоочередных сфер их применения. Такие уникальные супер-ЭВМ будут использоваться в ЦБК отдельных наиболее крупных САПР.

В большинстве рядовых САПР основными будут ми­ни-ЭВМ с существенно улучшенными показателями по сравнению с характеристиками распространенных в на­стоящее время мини-ЭВМ типа СМ-4 или СМ 1420. Про­изводительность новых мини-ЭВМ будет составлять 107...108 операций/с, емкость оперативной памяти должна быть не ниже нескольких мегабайт, а внешней памяти — не менее нескольких сотен мегабайт. Представление чи­сел с помощью 16 двоичных разрядов, как это имеет мес­то в большинстве современных мини- и микро-ЭВМ, недо­статочно для решения многих задач проектирования. Для ЭВМ с 16-разрядной сеткой в этих случаях приходится составлять программы, оперирующие числами с удвоен­ным или учетверенным количеством разрядов, но это за­метно снижает реальное быстродействие. Поэтому в но­вых мини-ЭВМ, ориентированных на применение в САПР, предусматривается представление чисел с помощью 32 (или более) двоичных разрядов.

Быстро растут возможности микро-ЭВМ. Так, уже освоен выпуск микро-ЭВМ (например, ЭВМ «Электро­ника МС-1211» или «Электроника МС-1212»), не усту­пающих по производительности и емкости оперативной .памяти мини-ЭВМ типа СМ-4, а в то же время эти новые микро-ЭВМ существенно дешевле и имеют меньшие

габаритные размеры. В будущих САПР найдут широкое применение 32-разрядные микро-ЭВМ с производитель­ностью около 106 операций/с и емкостью оперативной па­мяти в несколько мегабайт.

При наличии супер-, мини- и микро-ЭВМ будут рас­пространены трехуровневые структуры САПР. Нижний уровень образуют рабочие места проектировщиков, пред­ставленные диалоговыми вычислительными комплексами. Такие комплексы включают микро-ЭВМ, растровый дис­плей, накопитель на гибких магнитных дисках и, возмож­но, также малогабаритный накопитель на жестких маг­нитных дисках, печатающее устройство и графопострои­тель. Рабочие места соединяются с 32-разрядными мини-ЭВМ среднего уровня технических средств. Мини-ЭВМ среднего уровня объединяются с помощью коммуникаци­онных каналов связи в локальную вычислительную сеть. Наличие такой сети обеспечивает доступ проектировщи­кам различных подразделений предприятия к вычисли­тельным ресурсам, программному обеспечению и инфор­мационному фонду САПР, распределенным по различ­ным узлам вычислительной сети. Верхний уровень в структуре технических средств организуется лишь в круп­ных САПР и представляется в виде супер-ЭВМ, включае­мой в вычислительную сеть предприятия.

Локальные вычислительные сети характеризуются сравнительно небольшими (обычно в пределах несколь­ких сотен метров) расстояниями между узлами сети и ох­ватывают вычислительные средства одного предприятия. Получат развитие также вычислительные сети, объеди­няющие САПР различных предприятий. Однако связи между узлами в таких сетях реализуются с помощью бо­лее сложного коммуникационного оборудования.

Появление СБИС открывает новые широкие возмож­ности по аппаратной реализации многих алгоритмов АП, ранее воплощавшихся в программном обеспечении. Ап­паратная реализация приводит к созданию процессоров, которые составляют основу специализированных ЭВМ. Такие ЭВМ предназначены для выполнения лишь одной проектной процедуры, но зато выполняют ее исключи­тельно быстро. Если некоторая процедура отличается высокой трудоемкостью и частым использованием при проектировании, то целесообразно попытаться создать для нее соответствующий специализированный процес­сор. В последнее время появились первые специализированные процессоры для САПР, например для процедуры

быстрого преобразования Фурье, занимающей важное место в алгоритмах анализа радиотехнических и опти­ческих систем; процессора трассировки соединений в пе­чатных платах логического моделирования устройств ЭВМ.

Развитие технических средств машинной графики в значительной мере происходит под влиянием потребно­стей АП. В САПР ощущается нехватка дисплеев цвет­ных, с увеличенной информационной емкостью экрана, возможностями ведения графического диалога, просмот­ра сложных изображений целиком и в виде отдельных фрагментов с совмещением разноцветных фрагментов, с их произвольным размещением в различных местах экрана и т.п. Для быстрого получения конструкторской документации необходимого объема нужны чертежные автоматы с повышенной скоростью вычерчивания, с большими точностью и размерами изображений. Для удобства общения человека с ЭВМ дополнительно к традиционным способам разрабатываются устройства речевого ввода.

Информационное, лингвистическое и программное обеспечение. Необходимым условием реализации разно­образных маршрутов проектирования, обслуживаемых многими программами, в рамках одной подсистемы САПР является наличие банка данных подсистемы. В настоящее время в качестве СУБД подсистем исполь­зуются как универсальные, так и специализированные СУБД. Для реализации сквозного проектирования необ­ходимо обеспечить разнообразные информационные по­токи не только внутри подсистем, но и между ними. Для этого необходима разработка специализированных СУБД, ориентированных на применение в центральных банках данных САПР с соответствующим лингвисти­ческим обеспечением. В будущих САПР в связи с расши­рением круга автоматически решаемых задач расширя­ются и функции банка данных. В нем предполагается хранить не только информацию о типовых проектах, ис­ходные, промежуточные и итоговые результаты, но так­же и другие сведения, составляющие основы инженер­ных знаний в соответствующей предметной области. Та­кие банки данных называют банками знаний. В сочета­нии с соответствующим программным обеспечением на­личие банков знаний позволит в значительно большей степени автоматизировать процесс проектирования.

В лингвистическом обеспечении САПР наблюдаются тенденции создания диалоговых языков, их приближения к естественному языку. Для языков имитационного моделирования сложных систем, пред­ставляемых как системы массового обслуживания, важ­ное значение имеет их упрощение, в частности, выража­ющееся в повышении степени их непроцедурности. Зна­чительное место в общении инженера с ЭВМ занимает обмен графической информацией. Появляющиеся новые более совершенные технические средства машинной гра­фики требуют и разработки соответствующих програм­мных систем, обслуживающих графическое взаимодей­ствие. В таком взаимодействии предусматривается вы­полнение операций трехмерной графики, полиэкран-ность, быстрота реакции ЭВМ.

Программное обеспечение САПР относит­ся к наиболее сложным программным системам, создан­ным к настоящему времени. Например, трудоемкость разработки прикладного программного обеспечения для САПР морских судов оценивается в 600 человеко-лет [11], причем требования к квалификации разработчиков таких систем, как правило, очень высоки. Трудоемкость разработки программного обеспечения для новых САПР имеет тенденцию к увеличению. Стоимость современных САПР определяется главным образом стоимостью про­граммного обеспечения, которая в несколько раз превы­шает стоимость технического обеспечения.

Поэтому актуальной проблемой АП является про­блема автоматизации разработки программных систем. В САПР значительное внимание уделяется вопросам создания метаязыков

программирования, предназначен­ных для описания программного обеспечения на верхних иерархических уровнях его проектирования. Эти мета­языки позволяют лаконично описывать структуру проек­тируемого программного обеспечения, отдельным опера­торам метаязыка могут соответствовать достаточно круп­ные блоки программного обеспечения, насчитывающие десятки — сотни операторов языка программирования типа ФОРТРАН. Метаязыки используют для моделиро­вания работы создаваемых программных систем, описа­ния заданий на программирование отдельных модулей. Актуальной задачей является создание таких метаязы­ков и трансляторов с них, которые могли бы выполнять роль систем программирования. При наличии этих си­стем не потребовалось бы трудоемкое кодирование ал­горитмов на традиционных языках программирования типа ФОРТРАН, ПЛ/1 и т. п.

В состав систем автоматизации программирования входят также специализированные банки данных для хранения сведений о состоянии разработки программно­го обеспечения, монитор для управления работой систе­мы, средства документирования программного обеспече­ния.

Большие трудоемкость и сроки проектирования ПО САПР приводят к тому, что создание современной САПР сложных объектов под силу только крупному предприятию. Чтобы обеспечить всех инженеров — раз­работчиков средствами автоматизированного проектиро­вания, целесообразно в создаваемых крупных САПР уси­ливать инвариантную часть и предусматривать в инстру­ментальной подсистеме САПР средства генерации раз­личных версий ПО САПР из имеющихся модулей базо­вого и прикладного ПО. Каждая конкретная генериру­емая версия при этом оказывается адаптированной к задачам и ограниченным техническим средствам соответ­ствующего предприятия или его подразделения.

Математическое обеспечение. В современных САПР большинство процедур, выполняемых в автоматическом режиме на ЭВМ, относится к процедурам анализа или параметрического синтеза. Предстоит большая работа по формализации процедур структурного синтеза в раз­личных предметных областях.

Исследования в области автоматизации структурного синтеза ведутся в ряде направлений, значительная часть их объединена целью — созданием систем искусственного интеллекта.

Подобные системы, состоящие из вы­числительных средств, соответствующего периферийного оборудования и программного обеспечения, должны включать в себя банки знаний, методы и алгоритм для выполнения логических заключений и принятия решений с элементами адаптации и меняющимися условиями ин­формационной среды. Отдельные результаты, получен­ные в области искусственного интеллекта, подтверждают перспективность этих направлений, однако в настоящее время состояние этой проблемы еще далеко от сколько-нибудь широкого внедрения в практику автоматизиро­ванного проектирования.

К отдельным результатам в области автоматизации структурного синтеза относится создание и пополнение фондов эвристических приемов, однако пока эти фонды выступают как подсказчик возможных решений для че­ловека, который сам должен выполнять процедуры вы­бора эвристического приема из фонда и его интерпрета­ции в конкретной ситуации. Для эффективного исполь­зования фондов эвристических приемов в САПР нужна автоматизация этих процедур.

Успехи в области искусственного интеллекта позво­лят в той или иной степени автоматизировать решение задач структурного синтеза, относящихся к четвертому уровню сложности. Но не менее актуальной в ряде пред­метных областей является проблема автоматизации ре­шения задач структурного синтеза, относящихся к треть­ему уровню сложности. Примерами таких задач служат задачи синтеза топологии БИС и СБИС, где препятст­вие для полной автоматизации — не отсутствие формали­зации задач, а их чрезмерно большая размерность. Большинство задач синтеза третьего уровня сложности относится к классу так называемых NP-полных задач. Это класс комбинаторных задач, для точного решения которых известны алгоритмы только экспоненциальной сложности, т. е. алгоритмы, в которых количество требу­емых операций L пропорционально exp (N), где N — размерность задачи (например, число управляемых пе­ременных в задаче дискретного математического про­граммирования). В практических задачах проектирова­ния размерности N таковы, что алгоритмы экспоненци­альной сложности неприменимы. Поэтому актуальна за­дача разработки эффективных приближенных алгорит­мов, предназначенных для решения широкого круга ком­бинаторных задач и имеющих полиномиальную зависи-

мость L от N. Создание таких алгоритмов расширит воз­можности практического решения задач синтеза, форму­лируемых в виде задач дискретного математического программирования.

Развитие машинной графики связано не только с усо­вершенствованием технических средств, но и в немень­шей мере с разработкой алгоритмов геометрического проектирования, предназначенных для оперативного вы­полнения процедур и операций построения проекций, сечений, изометрических изображений, определения ви­димости линий и т. п.

Несмотря на то, что вопросы моделирования и анали­за технических объектов в САПР решены в большей ме­ре, чем вопросы структурного синтеза, сохраняются так­же проблемы развития и совершенствования математи­ческого обеспечения и для этих процедур. Прежде всего нужно отметить отсутствие удовлетворительных по точ­ности и экономичности математических моделей многих объектов и процессов, к которым относятся явление ме­ханического удара, процессы механической обработки деталей резанием, физические процессы в полупроводни­ковых СБИС с субмикрометровыми размерами и др. Значительный практический интерес представляет раз­работка библиотек макромоделей типовых объектов в различных предметных областях, например в двигателестроении, микроэлектронике, реакторостроенни, робото­технике и т. п.

Проблемы повышения эффективности математическо­го обеспечения для процедур анализа стоят не менее ост­ро, чем для процедур синтеза. Большие размерности ма­тематических моделей, необходимость выполнения мно­гих вариантов анализа этих моделей в маршрутах про­ектирования выдвигают в число наиболее актуальных, проблему снижения вычислительных затрат. Эта пробле­ма решается в следующих основных направлениях: диакоптика — исследование сложных систем по частям, ос­новная идея диакоптики — снижение вычислительных затрат за счет замены одной сложной задачи совокупно­стью задач малой размерности; адаптируемость — ав­томатический выбор математических моделей и методов,,, оптимальных по показателям эффективности, примени­тельно к особенностям конкретной задачи; учет прост­ранственной и временной разреженности.

Диакоптические методы анализа подразумевают раз­деление математической модели на фрагменты с организацией раздельных

по фрагментам вычислительных про­цессов и с периодическим согласовыванием результатов раздельных вычислений. Можно указать ряд причин по­вышенной эффективности диакоптических методов. Во-первых, затраты машинного времени Т_м на решение од­ной крупной задачи с размерностью N оказываются вы­ше, чем на решение m мелких задач размерности N/m, если T_M ~ N^a и а>1. Во-вторых, поочередное решение малых задач снижает требования к емкости оператив­ной памяти ЭВМ. В-третьих, при раздельных вычисле­ниях можно лучше учитывать особенности фрагментов с целью уменьшения количества шагов или итераций. В-четвертых, диакоптика оказывается естественной ос­новой для распараллеливания вычислений, что требует­ся для эффективного использования многопроцессорных вычислительных систем.

Адаптируемость реализуется, если имеется, во-первых, несколько математических моделей одного и того же объекта или методов решения одной и той же задачи, во-вторых, правило автоматического выбора моделей или методов в зависимости от текущего состояния вы­числительного процесса. Например, адаптивный выбор модели, выражающийся в переходе от макромодели к полной модели фрагмента, может быть основан на про­верке соответствия значений внешних переменных фраг­мента области адекватности макромодели.

Учет разреженности подразумевает исключение из вы­числительного процесса операций, результат которых можно заранее предугадать. Учет пространственной разреженности обычно

выполняется при операциях над матрицами, в которых преобладают нулевые элементы. Структуру матрицы можно предварительно проанализи­ровать и в последующем итерационном вычислительном процессе не выполнять те операции, в которых одним из операндов является ноль. Учет временной разреженно­сти выражается в пропуске вычислений по уравнениям математической модели на тех отрезках времени, на ко­торых не происходит изменений переменных в процессе имитационного моделирования.

Примечание. Более подробно методы анализа повышенной эффективности рассматриваются в книгах 4 и 5 настоящей серии.

В настоящее время отсутствуют эффективные мето­ды анализа сложных слабодемпфированных (многопериодных) систем. Примерами слабодемпфированных си­стем являются радиотехнические устройства (избира­тельные усилители, генераторы автоколебаний, источни­ки вторичного электропитания). Свойствами таких си­стем могут обладать многие механические конструкции. Особенность слабодемпфированных систем — колеба­тельный характер изменения фазовых переменных во время переходных процессов с медленным затуханием. Анализ слабодемпфированных систем с помощью непо­средственного численного интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений оказывается неэффектив­ным из-за больших отрезков интегрирования, включа­ющих сотни и тысячи периодов колебаний. Известны способы ускорения анализа для отдельных частных слу­чаев, таких, как анализ линейных моделей или расчет стационарных режимов колебаний. Создание математи­ческого обеспечения анализа переходных процессов в не­линейных слабодемпфированных системах относится к задачам автоматизации проектирования, требующим своего решения.

Комплексная автоматизация проектирования и изго­товления изделий. Повышение эффективности общест­венного производства требует сокращения материальных и временных затрат на проектирование новых изделий, технологическую подготовку их производства, настрой­ку технологического оборудования на их изготовление. Это достигается комплексным применением подсистем автоматизации функционального, конструкторского, технологического проектирования и гибких автоматизиро­ванных производств (ГАП).

С помощью подсистем функ­ционального и конструкторского проектирования САПР в кратчайшие сроки можно получить проектную доку­ментацию, в том числе чертежи новых деталей. В под­системе автоматизации технологического проектирова­ния, называемой также автоматизированной системой технологической подготовки производства (АСТПП), проектируются технологические процессы, произ­водится выбор необходимого инструмента и оснаст­ки, получаются машинные носители с информацией для управления технологическим оборудованием. Технологи­ческие автоматы вместе со средствами автоматической смены инструмента, транспортирования заготовок и т. п. представляют ГАП. Такие комплексные системы иногда называют системами САПР/АСТПП/ГАП. Их создание является актуальной задачей и относится к главным со­ставляющим современного научно-технического про­гресса.