Аббревиатура САПР означает Система Автоматизированного Проектирования. В общепринятом виде она не очень корректна, но добавление от последнего слова двух начальных букв устраняет неблагозвучное сочетание. Английский аналог САПР – CAD(Computer Aided Design – проектирование с помощью компьютера).
В соответствии с ГОСТ 23501.0-79 САПР определяется как организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимодействующего с подразделениями проектной организации, и выполняющая автоматизированное проектирование.
Определение САПР можно дать с акцентом на основные составные части комплекса средств автоматизации проектирования: «САПР – это система, предназначенная для совершенствования процесса проектирования, которая образуется в результате взаимодействия технического, алгоритмического, программного и информационного компонентов».
Из определений следует, что автоматизированное проектирование предполагает тесное взаимодействие человека-проектировщика с комплексом средств автоматизации проектирования, и это взаимодействие должно быть эффективно организовано путем рационального распределения функций между человеком и машиной. Научно обоснованное распределение функций между человеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен решать задачи творческого характера (формировать и выбирать наилучшие проектные решения и т.п.), а ЭВМ - обеспечивать возможность алгоритмизации и быстрого, качественного выполнения алгоритмов формирования множества проектных решений (с большей эффективностью по сравнению с ручными методами).
В эволюции применения компьютерной техники в проектировании в зависимости от распределения функций между проектировщиком и САПР можно выделить следующие уровни автоматизации проектирования.
1. САПР не принимает и не формирует проектных решений. Она используется в основном для расчета трудоемких задач, что обеспечивает проектировщику ускорение вычислительных процессов. Для этого уровня характерно то, что САПР не используется по своему прямому назначению, т.е. для формирования множества проектных решений, в некотором смысле оптимальных, что особенно важно в условиях многовариантности проектов. Человек же в силу своих природных возможностей не может сформулировать все многообразие вариантов. Отсюда интуитивность и порой нерациональность проектных решений.
Итак, на первом уровне организации САПР ЭВМ используется лишь как средство машинного анализа в помощь проектировщику. Технология же проектирования по-прежнему остается “ручной”.
2. САПР формирует оптимальные решения, а проектировщик осуществляет общую постановку задачи и оценку полученных результатов. Проектировщику остается только принять полученное решение или отказаться от него. Этот уровень организации САПР характеризуется тем, что роль человека принижается, он не участвует в процессе формирования решений и их оптимизации. Его опыт, знания, интеллект нужны только для экспертной оценки.
3. Проектировщик в процессе диалога с САПР осуществляет творческое конструирование, формирует и выбирает наилучшие проектные решения. Именно при такой организации процесса проектирования используется вся мощь интеллекта человека, с одной стороны, и возможность быстрого, качественного формирования множества проектных решений с помощью САПР - с другой.
Третий уровень организации САПР удовлетворяет требованиям научно обоснованного распределения функций между проектировщиком и ЭВМ.
История развития САПР
В развитии САПР условно можно выделить три этапа.
Первый этап (50-е годы) - характерен развитием теоретических исследований возможности использования машинной графики в автоматизированном проектировании. Идея ее применения была изложена в работе И.Сазерленда из лаборатории имени Линкольна в Массачусетском технологическом институте (США). Уже в середине 50-х годов появились публикации о воспроизведении на экранах электронно-лучевых трубок цифр и букв при подаче параметрически меняющихся напряжений, что послужило основой создания дисплеев. Широкое распространение получили и аналоговые координатные самописцы, на базе которых в 1958 г. была создана программно-управляемая чертежная установка, которая могла выполнять точные чертежи сечений фюзеляжа самолета или других криволинейных элементов, математическое представление которых хранилось в памяти ЭВМ. Первыми пользователями таких установок были авиационные фирмы “Боинг” и “Локхид”.
В 60-е годы наступил второй этап в развитии САПР. Началась разработка методов, алгоритмов и программ для решения отдельных графических задач на различных этапах проектирования и создание технических средств для их реализации, а также разработка специальных языков программирования.
В начале 60-х годов была разработана диалоговая графическая система для проектирования линз, базой которой был графопостроитель, позволяющий вычерчивать пути прохождения оптических лучей через комбинации линз. Начались также работы по автоматизации процесса проектирования кораблей. Конечной целью было получение с экрана электронно-лучевых трубок рабочих чертежей, выполненных в соответствии с существующими стандартами.
В 70-х годах разрабатываются и внедряются САПР по отраслям промышленности. САПР первого поколения позволили автоматизировать почти все этапы (выполнение инженерных расчетов, поиск необходимой информации, оптимизацию параметров заданных технических решений, составление чертежей и другой проектно-технологической документации, испытание экспериментальных образцов и др.), кроме выбора улучшенных и новых проектно-конструкторских решений. Время выполнения чертежей сократилось от 2 до 10 раз в зависимости от их сложности.
На современном этапе уже успешно решается проблема автоматизации поискового конструирования, т.е. создания САПР нового поколения, использующих искусственный интеллект в машинном проектировании. САПР нового поколения обладает повышенным творческим потенциалом. Есть основание утверждать, что в ближайшем будущем в большинстве случаев только САПР, включающие подсистемы поискового конструирования, позволят создать новые изделия на уровне лучших мировых образцов.
САПР в нашей стране начали разрабатываться с середины 60-х годов. Таким образом, САПР развиваются в нашей стране более 40 лет, и в условиях научно-технического прогресса в период научно-технической революции это срок немалый. Для сравнения можно вспомнить интервалы времени между первыми фундаментальными открытиями новых физических явлений и широким внедрением в промышленность устройств, процессов и приборов на их основе: телевидение - 12 лет; ядерная энергетика - 10 лет; полупроводниковая радиоэлектроника - 5 лет; лазерная техника - 4 года.
И то, что проблемы САПР в полном объеме еще не решены до настоящего времени, указывает на их сложность, комплексность, теоретические и практические трудности. В то же время практические работы по САПР успешно развиваются, внедряются и приносят значительный экономический эффект в различных отраслях промышленности: машиностроении, авиации, строительстве, судостроении, транспорте, полиграфии и др.
Современные технологии автоматизации производства
В настоящее время речь идет уже не просто об автоматизации процесса проектирования, а о комплексной автоматизации производства. Реальный эффект от внедрения информационных технологий обеспечивает не «лоскутная» автоматизация отдельных областей деятельности предприятия, а интегрированные комплексы, объединяющие системы автоматизированного проектирования (Computer Aided Design - CAD), технологической подготовки производства (Computer Aided Manufacturing - САМ), инженерного анализа (Computer Aided Engineering - САЕ), управления инженерными данными (Product Data Management - PDM) и управления ресурсами предприятия (Enterprise Resource Performance - ERP). В настоящее время разработаны информационные системы управления взаимодействия с поставщиками (SCM), управления взаимодействия с заказчиками (CRM), которые совместно с ERP направлены на оптимизацию потоков материальных ресурсов и финансовых средств предприятия.
Например, сравнительно давно уже не разделяют системы конструкторского и технологического САПР, объединяя их в единую систему конструкторско-технологической подготовки производства CAD/CAM, а сравнительно недавно – в систему CAD/CAM/САЕ (конструкторско-технологической подготовки производства и инженерного анализа).
Современной тенденцией в экономике является построении на промышленных предприятиях единого информационного пространства (ЕИП), т.е. комплексных систем, выстроенных вокруг единой базы данных, содержащей всю информацию об изделии (т.н. Полное Электронное Определение Изделия), начиная от его разработки и кончая прекращения его производства. Такая комплексная система получила название Система управления жизненным циклом изделия (Product Lifecycle Management - PLM). Основной идеей PLM-системы является интеграция всех данных, создаваемых на протяжении жизненного цикла изделия – от разработки до утилизации, и организация коллективной работы над изделием. Сейчас ведущие игроки рынка САПР выпускают интегрированные продукты, так или иначе реализующие идеюPLM.
Примером PLM системы является Единая Интегральная Система Разработки Изделия (Product Development System - PDS) фирмы РТС (Parametric Technology Corp. - www.ptc.com). Система обеспечивает полное решение задач, связанных с созданием детальной электронной модели изделия, обеспечением коллективной работы всех участников процесса, а также осуществлением контроля, управления и автоматизации важных процессов, таких, как подготовка производства, управление изменениями и оптимизация проекта. Такой подход позволяет еще до начала дорогостоящего физического процесса производства иметь завершенное и стабильное представление об изделии на всем его жизненном цикле, начиная с проекта и кончая перспективами его производства и сбыта.
Среди современных разработок можно отметить продукт фирмы «АНД Проджект» (www.andproject.ru), представляющий собой интегрированное решение, объединяющее ERP-систему (MBS Axapta) с САПР (CAD/CAM/САЕ) и поддерживающее непрерывный конструкторско-производственный цикл. Кстати такой подход, заключающийся в расширении функциональности ERP, является одним из путей создания PLM–систем.
Задачу создания ЕИП позволяет решить новая программная разработка компании «Аскон» (www.ascon.ru) – комплекс «Компас», центральной частью которого, помимо системы трехмерного проектирования (3D-проектирования), является система управления инженерными данными и жизненным циклом изделия «ЛОЦМАН: PLM». Для планирования и управления производством с ними сопрягается ERP–система MBS Axapta.
Нельзя не отметить и разработку Unigraphics NX2 компании Electronic Data Systems(EDS), представляющую собой очередную версию интегрированного пакета САПР, включающую средства автоматизированного проектирования (CAD), технологической подготовки производства (САМ) и инженерного анализа (САЕ).
Примером современной PDM–системы является разработка фирмы UGS под названием Solid Edge Insight, которая встраивается в САПР Solid Edge (SE) и поддерживает весь процесс проектирования, включая отслеживание изменений, управление версиями документов и взаимосвязи между проектами.
Настоящий бум отмечается в области САЕ (программ инженерного анализа), одним из главных поставщиков которых является фирма Ansys. Их использование позволяет виртуальное проектирование вести параллельно с физическим, что повышает точность виртуальных методов.
Основой графического моделирования являются системы трехмерного проектирования (3D-проектирование). Примерами таких систем являются САПР Solid Works (www.solidworks.com) и Pro/Engineer (фирма PTC), Компас-3D, Solid Edge, Autodesk Inventor (фирма Autodesk)и др.
Из современных решений для обработки конструкторской документации можно отметить цифровую систему копирования Xerox 8825 DDS.
В заключение следует отметить, что в настоящее время ведущие игроки рынка САПР выпускают интегрированные продукты, так или иначе реализующие концепцию PLM. Прогнозируется рост рынка PDM. Их внедрение в САПР превращает эти САПР в мини-PLM. Широкому внедрению пока мешает несовместимость форматов разных САПР.
Таким образом, основными тенденциями современного этапа развития САПР являются:
1. Создание более удобного пользовательского интерфейса.
2. CAD-системы среднего класса все более интегрируются с САМ и PDM и даже содержат некоторые элементы САЕ.
3. В состав САПР входят утилиты для обнаружения ошибок и исправления наиболее распространенных ошибок данных, возникающих при передаче моделей из одной системы в другую.
4. Модели становятся все более фотореалистичными, а отдельные объекты – интеллектуальными.
5. Растет роль Интернета в качестве средства обмена инженерной информацией, упрощения проектирования.
САПР в электронной промышленности
В настоящее время САПР нашли широкое применение в электронной промышленности, прежде всего в проектировании СБИС, как полупроводниковых, так и гибридных, а также в разработке технологии их производства. Более того, проектирование СБИС в настоящее время уже немыслимо без использования САПР.
При разработке ИС применяется система, отвечающая принципу сквозного проектирования, когда в САПР вводятся исходные данные о проектируемом изделии, а конечным результатом является конструкторская и технологическая документация. При этом принципе организации САПР достигается наибольшая эффективность от ее внедрения.
Примером крупной САПР в электронной промышленности может служить САПР БИС, имеющая трехуровневую структуру. Достаточно отработанной является САПР радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) для проектирования ГИС и микросборок на печатных платах. САПР производит расчет параметров пленочных элементов, выбор их формы и размеров, а также размеров подложки, строит схемы взаимного размещения элементов и проводников, проводит синтез топологии, изготавливает чертежи и фотооригиналы. Причем схемы, спроектированные САПР, более качественные по сравнению с разработанными обычными “ручными” неавтоматизированными методами. Примерами САПР РЭА является система РАПИРА и ее дальнейшее развитие система ПРАМ. Приведенные системы проектирования решают широкий круг задач проектирования РЭА: моделирование принципиальных и функциональных схем; конструирование печатных плат, СВЧ-узлов и ГИС; оформление конструкторской документации (КД) и т.п.
Интенсивно развиваются и машиностроительные САПР, однако отечественные САПР ТО МЭ находятся на стадии развития. Наиболее отработанной считается САПР летательных аппаратов, состоящая из нескольких проектирующих подсистем: формирования конфигурации, прочностных расчетов, конструирования и машинной графики, технологической подготовки производства и др. Можно отметить САПР “Гидрооборудование” для проектирования насосов, гидродвигателей и т.п., а также САПР для металлорежущих станков, реализующую типовой маршрут проектирования от процедур формирования ТЗ и последующего синтеза компоновочной схемы до проведения геометрического моделирования и оформления КД.
В нашей стране в целях централизации снабжения проектных организаций программными средствами был создан специализированный фонд, хранящийся в НПО “Центрпрограммсистем” (г. Тверь). Среди программных систем можно отметить систему формирования алгоритмов конструкторско-инженерных расчетов “ФАКИР”, предназначенную для решения задач проектирования сложных машиностроительных объектов; инструментальный диалоговый монитор “ФАУСТ”, являющийся средством создания операционных систем (ОС) САПР. На базе многомашинного комплекса разрабатывается система комплексной автоматизации проектирования “КАПРИ”, ориентированная на разработку и изготовление изделий машиностроения (включает типовые узлы и детали, а также реализует технологию, управление техпроцессами и планирование производства).
Если САПР ИС и РЭА достаточно хорошо проработаны и уже широко используются в электронной промышленности, то САПР ТО МЭ находятся на начальной стадии развития. Это связано с рядом факторов:
- широкой номенклатурой ТО МЭ и быстрым его моральным старением, приводящим к появлению новых технологических процессов и конструкций;
- сложностью и малоизученностью ряда процессов, слабой теоретической базой, отсутствием математического аппарата для расчета конструктивно-технологических параметров большинства ТО с достаточной точностью;
- большим количеством факторов и параметров, влияющих на выходные характеристики системы, которые не всегда даже можно выявить и учесть;
- сложностью формализации технологических процессов и создания имитационных моделей, связывающих значения конструктивных параметров объекта с характеристиками поведения той системы, частью которой он является;
- низким уровнем стандартизации и унификации конструктивных элементов, создания типовых конструкций.
Поскольку САПР представляет собой совокупность информационных ресурсов, моделей проекта и информационно-вычислительной системы, автоматизирующей процессы создания объектов, то для внедрения САПР ТО МЭ необходимо решение трех основных задач:
1) создать информационное обеспечение в виде банка стандартных справочных данных, используемых при проектировании (данные ЕСКД, спецификации, стандартные детали, узлы, агрегаты и подсистемы проектируемого ТО и т.п.), а также банка научно-технической и патентной информации о существующих перспективных разработках по тематике проектирования;
2) создать математическое и программное обеспечение, для чего:
- разработать методы расчета и модели процессов и устройств ТО, на базе которых создать модели математической формализации задач оптимального проектирования;
- создать банк пакетов прикладных программ (ППП) для анализа, синтеза и оптимизации проектов на моделях;
- построить общую информационную развивающуюся модель оптимального проектирования ТО с учетом структурно-иерархической реализации отдельных элементов, совместимую с ППП и представленную в памяти ЭВМ в цифровой форме;
3) создать информационно-вычислительную систему, комплексно автоматизирующую процессы построения и эволюции цифровой модели проекта, его оптимизации, доступа к информационным ресурсам и взаимодействия групп специалистов.
В процессе решения этих задач осуществляется выбор и разработка главных компонентов САПР: информационных ресурсов, комплекса технических средств и операционной системы, реализующей построение модели проекта и управление системой в целом.
В настоящее время САПР все шире охватывают самые различные отрасли народного хозяйства. В большинстве отраслей промышленности уже электронный “мозг” стал неотъемлемой частью каждого НИИ, КБ, лаборатории. Решение же проблемы создания САПР ТО МЭ в электронном машиностроении является актуальной задачей сегодняшнего дня.
Раздел первый Методическое обеспечение САПР
Глава 1 Основы методики проектирования
1.1. Становление науки о проектировании
Прежде, чем что-либо создать, человек или коллектив разработчиков формирует в своем воображении субъективную модель проектируемого объекта, а затем реализует его. Эти два условных этапа можно назвать проектированием и исполнением (или конструированием). Проектирование - более широкое понятие. Иногда считают конструирование частью проектирования. В процессе проектирования возникает необходимость передачи информации.
До появления письменности формами проектирования и конструирования были устные советы и натурная модель. Начало использования чертежей-рисунков и чертежей-схем на Руси относится к XI веку. Однако их широкое применение при конструировании началось в XVIII веке, когда чертежи стали выполнять в масштабе с разрезами, сечениями. Преподавание черчения в технических школах было введено по указанию Петра I. Несмотря на успехи в проекционном черчении, основной формой конструирования оставалось изготовление натурной модели, по которой затем составлялись чертежи. К моделям прибегали все известные механики того времени: Нартов А.К., Ползунов И.И., Кулибин И.П., Собакин Л.Ф. и другие.
Теоретические основы проектирования механизмов были заложены академиком Эйлером Л. (вторая половина XVIII века). Вслед за Эйлером появились труды Котельникова С.К., в которых рассматривалась динамика механизмов машин. К концу XVIII века центром развития механики становится Франция, чему способствовали работы Лагранжа Ж.
В России заметный вклад в науку о машинах внесли ученые Петербургского института инженеров путей сообщения, где работали как видные русские математики и механики, так и крупные французские ученые. Основателем института был один из пионеров кинематики машин, выдающийся конструктор А.Бетанкур.
XIX век ознаменовался многочисленными достижениями в технике и науке. Начертательная и аналитическая геометрия, черчение, теоретическая механика, теория машин и механизмов, детали машин и другие дисциплины дали аппарат для описания и преобразования описаний объекта. В настоящее время основным документом, закрепляющим в законодательном порядке последовательность этапов проектирования, форму и содержание технических документов, является ЕСКД.
Что же такое проектирование - наука или искусство? Правильным является ответ, что проектирование - это и наука (поскольку опирается на систематизированные научные знания), и искусство (так как непрерывно связано с творчеством). Только в разные исторические эпохи доли того и другого были различны. По мере развития и совершенствования техники одних творческих способностей становится уже недостаточно, нужны специальные научные знания. И в то же время еще много в процессе проектирования связано с творческими способностями человека, его воображением, интуицией. Творчество всегда будет необходимо проектированию, однако в настоящее время неуклонно возрастает число формализованных операций, выполняемых по определенным алгоритмам. Это и предопределило возникновение САПР.
Таким образом, при современном проектировании имеет место как эвристический (неформализованный) подход к поиску технических решений, так и формализованный, основанный на математических и логических приемах и методах.
1.2. Понятия и задачи методологии проектирования
Автоматизация инженерного труда привела к возрастанию интереса к методологии проектирования, поскольку автоматизация процесса проектирования невозможна без знаний в области методологии. Методология творческой инженерно-технической деятельности еще недостаточно хорошо разработана и описана.
Задачу поиска технических решений можно отнести к эвристическим задачам, поскольку ее невозможно полностью описать известными математическими и логическими методами.
Начало учения об эвристических методах было положено Сократом (469 - 399 гг. до н.э.). Архимед (287 - 212 гг. до н.э.) разрабатывал методы построения предположений или гипотез с помощью механических представлений (моделей). Папп (IV в.н.э.) обобщил эвристические методы античных философов и математиков и ввел название “эвристика”. Рене Декарт (1596 - 1650 гг.) разрабатывал метод решения любых проблем путем разложения их на простые составляющие, сводимые к дискретным математическим задачам. Хотя эти идеи и не могли быть осуществлены, но они послужили Лейбницу (1646 - 1716 гг.) в создании комбинаторики. Интерес к эвристическим методам, в частности к комбинаторике, в настоящее время особенно возрос. Идеи комбинаторики нашли отражение в широко известном методе морфологического анализа, разработанном американским астрономом Францем Цвикки.
Ведущие специалисты в области методологии проектирования Ханзен Ф., Хилл П., Джонс Дж.К., Холл А., Диксон Дж., Гаспарский В. и др. говорят об инженерном проектировании как об особой науке, систематизирующей знания и уделяющей особое внимание этапам проектирования и их взаимосвязи. Методика проектирования, как считает П.Хилл, - это не формула и даже не инструкция, а последовательность событий, составляющих процесс проектирования, в рамках которого возможно логическое развитие конструкции. В частности, Дж.Диксон считает, что настало время обучения не практике проектирования, а принципам и основам решения инженерных задач на базе знаний технических, общественных и гуманитарных дисциплин. Инженерное проектирование он представляет в виде последовательных этапов и различает при этом два рода деятельности: изобретательство, включающее уяснение задачи, выбор пути ее решения и формирование идеи, и инженерный анализ. Первый связан с полетом фантазии, а второй требует глубоких знаний и самодисциплины. Среди методов изобретательства Дж.Диксон называет: мозговой штурм, инверсию (отказ от прежних взглядов с тем, чтобы посмотреть на задачу с новой или измененной позиции), аналогию (заимствование идей из биологии, художественной литературы, фантастики) и др.
М.Д.Принс рассматривает проектирование как итерационный процесс (рис.1.1), поскольку первоначально нам, как правило, неизвестно, как должен выполняться синтез проекта. Мы умеем только анализировать пробный вариант, изменять его параметры и таким образом строить процесс, приводящий к решению. Такое утверждение сделано Принсом в результате анализа деятельности крупнейшей в мире авиационной фирмы “Lockheed”.
В развитии методов проектирования Дж.К.Джонс видит следующие этапы: кустарный промысел, чертежный способ проектирования и современное системное проектирование. Все новые методы проектирования делятся на три группы в зависимости от того, какая из трех концепций положена в их основу (рис.1.2).
1. Концепция “черного ящика” построена на интуиции, на предположении о полной “алогичности” процесса творчества, когда проектировщик, принимая то или иное решение, не может объяснить, каким образом ему удалось его отыскать (возникло загадочное творческое озарение).
2. Концепция “прозрачного ящика” построена на логике, на предположении о том, что проектировщик вполне осознает свои действия и их причины, происходит логический процесс, до конца поддающийся объяснению. Поведение проектировщика включает:
- анализ получаемой и имеющейся информации;
- синтез технических решений;
- оценку технических решений;
- повторение циклов синтеза и анализа (оценки) до нахождения наилучшего из всех возможных решений.
Методы, построенные на концепции “прозрачного ящика”, характеризуются следующими чертами:
- цели, переменные и критерии задаются заранее;
- поиску решения предшествует проведение анализа;
- оценка результатов дается в основном в словесной форме и построена на логике;
- заранее фиксируется стратегия проектирования.
3. Концепция “самоорганизующейся системы” построена на подходе к проектировщику как к “самоорганизующейся системе” и стремлении сузить область поиска технических решений за счет обоснованного выбора стратегии проектирования, под которой Дж.К.Джонс понимает тот или иной метод проектирования. При использовании концепции “самоорганизующейся системы” осуществляется управление стратегиями поиска, т.е. в зависимости от содержания и объема исходной информации выбирается стратегия, наиболее эффективная на определенной стадии проектирования.
Стратегии могут быть:
- линейными (этапы выполняются строго последовательно);
- циклическими (при выполнении одного из этапов возвращаются к выполнению предыдущих этапов);
- адаптивными (выбор каждого этапа зависит от результата выполнения предыдущего этапа);
- случайного поиска (отличаются абсолютным отсутствием плана, когда при выборе последующего этапа совершенно не учитывают результата предыдущего).
Автоматизация процесса проектирования стимулирует развитие методов проектирования и невозможна без знаний в области методологии. Не существует какого-то универсального метода проектирования, и при решении проектных задач необходимо сочетание логики и интуиции. Остановимся на некоторых основных понятиях методологии процесса проектирования.
Существует множество определений процесса проектирования. С позиции теории познания проектирование есть форма познания объективного мира, представляющая процесс составления описания, необходимого для создания еще не существующего объекта.
Дж.К.Джонс дает простую, но универсальную формулировку, определяющую цель проектирования, - положить начало изменениям в окружающей человека искусственной среде.
Иными словами, проектирование - это творческая, целенаправленная деятельность, ориентированная на изменение окружающей человека искусственной среды (техносферы).
Под методологией проектирования понимается учение о структуре, логической организации, методах и средствах поиска и принятия решений о принципе действия и составе еще не существующего объекта, наилучшим образом удовлетворяющего определенные потребности, а также составление описания, необходимого для его создания в заданных условиях.
Алгоритм проектирования - совокупность предписаний, необходимых для выполнения проектирования.
Проектное решение - промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для дальнейшего рассмотрения или окончания процесса проектирования.
Проектная процедура - совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением.
Проектная операция - действие или совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры.
Современные методы проектирования должны быть ориентированы на широкое использование ЭВМ, не исключая человека при решении наиболее сложных и творческих задач. Такую особенность называют эргатичностью, подразумевая разумное сочетание формализованных (машинных) и неформализованных процедур в процессе проектирования.
Сформулируем основные задачи методологии проектирования:
1) построение логической схемы последовательности действий, наилучшим образом организующей процесс проектирования;
2) разработка методов и алгоритмов выполнения проектных процедур и операций;
3) формализация процедур, разработка математических моделей как процесса, так и объекта проектирования;
4) выбор этапов и стадий разработки объекта проектирования.
Определим основные компоненты проектирования, рассмотрев его с точки зрения теории познания и воспользовавшись языком теории множеств: A = {a1, a2,..., an} - множество целей; P = {p1, p2,..., pm} - множество признаков; G = {q1, q2,..., qk} - множество технических решений; K = {k1, k2,..., kr} - множество оценок (критериев).
Проектирование технической системы можно представить в виде отображения на множество оценок K среза произведения бинарных отношений между элементами множеств A и P и бинарных отношений между элементами множеств P и G. Тогда функция проектирования может быть выражена следующим образом:
F:(y×j(A0)) ® K,
где j Ì (A×P), y Ì (P×G), A0 Í A - основные цели проектирования.
Таким образом, процесс проектирования сводится к поиску такого соотношения между целями и признаками, признаками и техническими решениями, при которых обеспечиваются требуемые критериальные оценки проектируемого объекта. Если рассмотреть функцию проектирования в качестве целевой функции, которую в результате выполнения ряда операций необходимо оптимизировать, то получим функцию оптимального процесса проектирования, который сводится к установлению таких бинарных отношений между компонентами проектирования, при которых максимально удовлетворяются критериальные оценки
(F:(y×j(A0)) ® K) ® opt.
1.3. Процедурная модель проектирования
Процесс создания новых технических систем можно разделить на пять этапов, включающих несколько последовательно выполняемых стадий, на каждом из которых САПР должна решать вполне определенные задачи.
1. Поисковое проектирование, включающее три стадии: предпроектные научно-технические исследования, формирование ТЗ, формирование технического предложения.
На этапе поискового проектирования проводятся фундаментальные и прикладные исследования по поиску новых конструктивных признаков. На этом этапе САПР должна решать задачи общенаучного характера, которые направлены на углубление и расширение наших познаний о том или ином классе технологического оборудования. Для решения этих задач САПР должна обладать искусственным интеллектом.
2. Конструирование, включающее три стадии: эскизное, техническое и рабочее проектирование.
На этапе проектно-конструкторской разработки САПР решает задачи общетехнического характера. Целью разработки при использовании САПР на данном этапе является получение интегрированной модели проектируемого объекта. САПР должна обеспечить поиск оптимального варианта структуры оборудования и его формы, детальную проработку выбранной конструкции, проведение технико-экономического анализа и др.
3. Технологическая подготовка производства, включающая две стадии: отработку конструкции на технологичность и разработку техпроцессов ее изготовления. На этапе технологической подготовки производства экспериментального образца задачей САПР является создание технологической модели производственного процесса.
Созданная на этом этапе с помощью САПР технологическая модель производства является необходимой основой, на которой строится АСУТП и АСУП.
4. Изготовление экспериментальных образцов включает две стадии: изготовление, а затем отладка и испытание. Цель - проверка правильности основных проектно-конструкторских решений и отработка технологической документации.
На стадии испытаний экспериментального образца (или модели) задачей САПР является планирование эксперимента, сбор и обработка результатов экспериментов, интерпретация результатов испытаний. При этом решаются две основные задачи:
- определяются фактические характеристики объекта;
- устанавливается степень адекватности использованных на втором этапе (проектно-конструкторской разработки) математических моделей объекта.
5. Освоение производства, в процессе которого достигаются требуемое качество (эксплуатационные характеристики), проектная трудоемкость изготовления и объем выпуска.
На этапе эксплуатационного контроля задачей САПР является сбор и обработка статистических данных по эксплуатации технологического оборудования, степени соответствия его реальным требованиям. Главная цель состоит в прогнозировании характеристик и параметров данного типа оборудования на основе полученных статистических данных, чтобы обеспечить преемственность разработок.
На каждом из перечисленных этапов, особенно на первых трех, применение САПР дает существенный эффект. Собственно процесс проектирования реализуется на первых двух этапах, и качество решений, принимаемых в процессе проектирования, оказывает основное влияние на процесс создания технических систем.
Согласно ЕСКД, процесс проектирования делится на пять основных этапов: техническое задание (ТЗ), техническое предложение (ТП), эскизный проект (ЭП), технический проект, рабочий проект.
ГОСТ не обязывает выполнять все этапы. Проблема состоит в том, чтобы научиться обоснованно выбирать этапы разработки с учетом сложности объекта, степени его новизны, последствий возможных ошибок при проектировании.
На практике процесс проектирования принято разбивать на три этапа.
1. Поисковое проектирование (предварительное конструирование) - связано с поиском принципиальных возможностей построения проектируемого объекта, исследованием новых принципов, структур, обоснованием наиболее общих решений. Результатом выполнения данного этапа является техническое предложение.
2. Эскизное проектирование (этап НИР) - производится детальная проработка возможностей построения проектируемого объекта. Результатом является эскизный проект, изготавливается экспериментальный образец, по результатам испытания которого вносятся необходимые изменения в проектную документацию.
3. Рабочее проектирование (этап ОКР) - выполняется тщательная проработка всех схемных, конструкторских и технологических решений. Обычно проводится изготовление и испытания опытного образца.
Учитывая практику проектирования и последовательность выполняемых этапов и процедур, можно разработать логическую схему проектирования и представить ее в виде процедурной модели проектирования. Процедурная модель проектирования, согласуемая со стадиями разработки в соответствии с ЕСКД, реализует системный подход к проектированию (рис.1.3).
Проектирование начинается с определения потребности в создании нового объекта. Потребность диктуется состоянием общественного производства и отражается в перспективных планах директивных органов.
Ответственной процедурой является определение целей проектирования, задача которой состоит в распознавании общих черт объекта и условий взаимодействия его с окружающими объектами и внешней средой. Источниками информации для выполнения процедуры служат прогнозы развития самого объекта, а методами организации решения являются составление сценариев и построение графа целей, поскольку какой-либо четкой методики решения задачи распознавания объектов нет. Удобным аппаратом для анализа и синтеза информации является инженерное прогнозирование.
После выбора целей проектирования приступают к процедуре определения основных признаков объекта. Она состоит в построении среза бинарных отношений между элементами множества целей A и множества признаков P по выбранному подмножеству целейA0. Подмножество целей и подмножество признаков включаются в техническое задание.
На следующем этапе выполняется процедура принятия решения. Она в настоящее время уже достаточно формализована на основе матричных методов (применение матрицы решений, генеральной определительной таблицы и др.).
После выбора варианта решения проводится его анализ на проверку работоспособности и возможности технического воплощения. Методами решения выступают: моделирование, кинематический и динамический анализы. При неудовлетворительном результате анализа происходит возврат к этапу принятия решения и выбирается другой вариант. Окончательным оформлением принятого решения является техническое предложение.
Для удачного воплощения технического решения осуществляется выбор оптимального сочетания параметров и режимов работы. Выбор параметров относится к классу экстремальных задач. По результатам процедуры выбора параметров может быть составлен эскизный проект, представляющий собой совокупность конструкторской и технической документации, дающих представление в общих чертах о принципе работы проектируемой машины.
Получив данные о принципе действия и параметрах машины, приступают к ее конструированию. При этом используются опыт конструктора и достижения современной науки. Завершенная проектная разработка оформляется в виде технического проекта и рабочей документации по ЕСКД.
Приведенная процедурная модель отражает проектирование принципиально нового объекта. При совершенствовании и модернизации существующих объектов нет необходимости выполнять все этапы проектирования.
Основными чертами современной методики проектирования является системный подход, многокритериальная оптимизация, автоматизация выполнения проектных процедур и операций на основе широкого использования вычислительных методов и алгоритмов.
1.4. Системный подход к проектированию оборудования
Современные технические объекты, в частности оборудование микроэлектронного производства, представляют собой сложные системы. Проектирование сложных технических объектов, удовлетворяющих современным требованиям, невозможно без системного подхода. Технические средства, создаваемые человеком, образуют техносферу, которая оказывает все возрастающее влияние на биосферу, а следовательно, на самого человека. Таким образом, человек, биосфера и техносфера образуют экосферу, которая все в большей степени превращается в замкнутый комплекс. Проектируемые технические системы (ТС) при работе взаимодействуют с другими системами, в результате чего ТС оказывает влияние на окружающие ее системы и среду и в то же время сама испытывает со стороны их воздействие. Без учета всех существенных факторов, всех социально-технических связей невозможно проектирование ТС, удовлетворяющих современным требованиям.
Необходим переход от локального, частного проектирования, замыкания в узкой, ограниченной сфере к системному проектированию, при котором учитываются все аспекты функционирования проектируемого объекта. Ясно, что решить такую задачу одному проектировщику невозможно, поскольку требуются знания во многих областях науки и техники, начиная от фундаментальных и кончая социально-экономическими и общественными науками.
Сущность системного подхода заключается в рассмотрении сложного проектируемого объекта (ПО) как составной части экосферы и учете всех аспектов его функционирования, включая социально-технические связи и все существенные факторы. Следовательно, создание сложных современных технических систем требует согласованной работы больших коллективов проектировщиков самых разнообразных специальностей. Организация такого проектирования представляет большую проблему и требует новых методологических подходов.
Оборудование микроэлектроники относится к одному из самых сложных видов оборудования. При его создании необходимо не только обеспечить специфические параметры функционирования и устранить вредное воздействие на окружающую среду и человека, но и учесть отрицательное воздействие человека и среды на работу оборудования. В связи с этим возникает проблема создания весьма сложных полностью автоматизированных замкнутых технических систем (линий, цехов и целых заводов).
Из оборудования производства интегральных микросхем, используемого на заготовительной, структурообразующей и сборочно-контрольной стадиях, наиболее сложным и специфическим является оборудование структурообразующей стадии, выделяемое в особый вид производства. При создании таких систем, с одной стороны, необходимо обеспечить их прецизионность (речь идет о создании элементов в доли микрона), высокую надежность (сбой, как правило, приводит к браку и большим экономическим потерям) и высокую производительность, с другой стороны, важно исключить как влияние человека и внешней среды (аэрозоли, пыль, температура, влажность, вибрации, излучения) на работу оборудования, так и обратное воздействие со стороны технологического оборудования (излучения, токсичные и химически активные вещества). Особую опасность представляет ТО химической и плазмохимической обработки. Создание полностью автоматизированных цехов с управлением от ЭВМ на базе комплексов ТО и автоматизированных поточных линий (АПЛ) с возможностью оперативной переналадки и перепрограммирования является актуальной задачей, которая не может быть решена без широкого использования САПР и новых методов моделирования и проектирования.
Одно из важнейших требований системного подхода при автоматизации проектирования состоит в необходимости рассмотрения любого проектируемого объекта с двух диаметрально противоположных точек зрения: “извне” и “изнутри”.
“Извне” - объект рассматривается как элемент (подсистема) ТС более высокого ранга. Целью такого “внешнего” проектирования является определение совокупности характеристик, которыми должен обладать ПО по отношению к другим, связанным с ним объектам.
“Изнутри” - рассматривается внутренняя структура ТС, выявляются ее составные части и связи между ними. Целью “внутреннего” проектирования является нахождение такого сочетания параметров составных частей ТС, которое обеспечивало бы ее функционирование в ТС более высокого ранга во внешней среде.
Этап внутреннего проектирования является подчиненным по отношению к этапу внешнего проектирования.
Такой подход к проектированию ТС позволяет рассматривать все множество ПО как иерархическую систему, в которой каждому из объектов в зависимости от его сложности предписан определенный уровень иерархии, такой, что уровнем ниже располагаются все ПО, являющиеся компонентами данного объекта, а уровнем выше - ТС, в которую данный ПО сам входит как составная часть.
На верхнем уровне иерархии проектируемые ТС имеют наименее детализированное представление, отражающее их самые общие черты. На нижних уровнях степень подробности рассмотрения ПО возрастает, при этом ТС рассматривается не в целом, а отдельными блоками.
Преимущества блочно-иерархического подхода при проектировании заключаются в том, что сложная задача большой размерности разбивается на последовательно решаемые задачи малой размерности. Процесс проектирования ТС разбивается на части (уровни, модули).
Принцип блочно-иерархического подхода к проектированию отражает существующее деление по ЕСКД схем на структурные, функциональные и принципиальные.
Структурные схемы дают наиболее общее и наименее детализированное представление о ТС, определяя ее основные функциональные части и взаимосвязи.
Функциональные схемы дают представление о функционировании ТС с учетом только существенных факторов и функциональных частей, разъясняют протекание определенных процессов.
Принципиальные схемы определяют полный набор базовых элементов и связей между ними и дают детальное представление о ТС, ее составных частях и принципах работы.
1.5. Классификация проектируемых объектов и их параметров
При построении иерархической системы ПО за базовый уровень (своего рода начало отсчета) удобно принять понятие машины как совокупности механизмов, предназначенной для выполнения требуемой полезной работы, поскольку:
а) с точки зрения производственной деятельности человека любая машина должна выполнять по крайней мере одну операцию в техпроцессе;
б) в любой ТС машина является компонентом, с которым непосредственно взаимодействует человек через систему управления;
в) проектирование машины представляет собой сложный процесс, требующий комплексной разработки и взаимного согласования нескольких функциональных компонентов (т.е. включает внутреннее проектирование);
г) машина, в свою очередь, является компонентом ТС, представляющей совокупность взаимосвязанных машин, объединенных общим техпроцессом (т.е. является объектом внешнего проектирования).
При блочно-иерархическом подходе к проектированию можно предложить классификацию ПО, приведенную на рис.1.4. За базовый уровень принята машина. Все ее составляющие части на более низких уровнях определяются как функциональные компоненты, а на более высоких - как системы машин.
К функциональным компонентам относятся сборочные единицы (узлы и механизмы) и детали. В качестве примеров можно назвать:
- несущие элементы (определяют форму, пространственное положение, прочностные характеристики);
- элементы связи (обеспечивают до шести степеней свободы);
- элементы передачи (рычаги, редукторы, гидро- и пневмосистемы и т.п.);
- двигатели (преобразователи различных видов энергии в механическую);
- элементы формирования объемов и потоков (трубопроводы, бункеры, баки);
- элементы управления (сбор, хранение и переработка информации для выработки управляющих воздействий на исполнительные органы).
Один и тот же функциональный компонент в ТС может выполнять несколько функций. Для каждого класса функциональных компонентов необходимо создать свою подсистему САПР.
Системы машин компонуются из комплектов и комплексов машин (ГАЛ, АПЛ), на базе которых создаются ГАП (цеха). Примером могут служить: АПЛ “Диффузия”, линия фотолитографии “Электроника-125”.
Если продолжать иерархию вверх, то из цехов создают предприятия, которые объединяются в НПО и тресты, образуются экономические регионы, входящие в хозяйство республики, федерации, объединения государств, а высшая форма - мировое хозяйство в целом (человеческая цивилизация).
При моделировании все ПО по уровню сложности делятся на три иерархических уровня: мета-, макро- и микроуровни. К метауровню относят, как правило, ПО от уровня машины и выше (системы машин и т.д.); к макроуровню - функциональные компоненты типа подсистем, механизмов и сложных узлов, а к микроуровню - типа деталей и несложных узлов. На каждом из этих уровней иерархии используются свои конкретные методы моделирования.
Создание согласованной системы математических моделей и алгоритмов проектирования по всем уровням иерархии представляет собой одну из важнейших проблем создания САПР ТО МЭ.
Компоненты и системы классифицируются также по физическим основам устройства и работы на механические, электрические, пневматические, гидравлические, тепловые. Как правило, в сложных ТС встречаются подсистемы, различные по физическим основам устройства (так называемые ТС с физически разнородными функциональными компонентами).
Например, вакуумная установка для нанесения пленок содержит множество различных функциональных компонентов: механические (элементы загрузки, выгрузки, транспортировки и т.п.); электрические (блоки питания и управления узлов и систем); гидравлические (охлаждение, силовые механизмы гидросистемы - закрывание вакуумного затвора и т.п.); пневматические (пневмопривод исполнительных механизмов); тепловые (нагрев и охлаждение пластин, испарение материалов) и др.
Проектируемые объекты классифицируются также на изделия и техпроцессы. При проектировании ТО МЭ техпроцессы занимают важное место и, как правило, определяют параметры ТО, входя в модель проектируемого устройства (процессы диффузии, эпитаксии, окисления, электронно-ионной и плазменной обработки и т.д.). Таким образом, при проектировании ТО МЭ имеет место комплексное проектирование, включающее одновременную разработку оборудования и технологического процесса.
Объект в процессе проектирования в САПР представляется в виде математической модели, с которой оперирует ЭВМ.
Математическая модель(ММ) ПО - система математических объектов (чисел, переменных, матриц, множеств и т.п.) и отношений между ними, отражающая некоторые свойства ПО, существенные с позиций инженера.
Среди свойств объекта, отражаемых в описаниях на определенном иерархическом уровне, различают свойства систем, элементов систем и внешней среды, в которой должен функционировать ПО. Количественное выражение этих свойств осуществляется с помощью величин, называемых параметрами.
Параметр - это величина, характеризующая свойства или режим работы устройства.
Среди параметров ПО особо следует выделить показатели эффективности (или качества), являющиеся количественной оценкой степени соответствия ПО его целевому назначению. Причем в зависимости от конкретных условий и типа системы будут определяться и основные показатели. В качестве таких показателей могут быть: производительность, надежность, точность, стоимость, массогабаритные показатели и др.
Параметры классифицируются на выходные, внутренние, внешние и входные.
Выходные параметры - показатели качества, по которым можно судить о правильности функционирования системы. Они зависят от свойств элементов ТС и особенностей связи между ними (т.е. структуры). При определенной структуре выходные параметры зависят только от параметров элементов и параметров внешних условий.
Внутренние параметры - это параметры элементов ТС.
Внешние параметры - параметры внешней по отношению к ПО среды, оказывающие влияние на его функционирование.
Входные параметры - параметры элементов системы, однозначно определяющие ее состояние. Это понятие вводится при моделировании. Фактически это варьируемые внутренние параметры системы, измерением которых добиваются требуемых значений выходных параметров.
Обозначим число выходных, внутренних и внешних параметров через m, n и k, а множества этих параметров соответственно через Y = (y1, y2,..., ym), X = (x1, x2,..., xn) и Q = (q1, q2,..., qk). Очевидно, что свойства объектов зависят от внутренних и внешних параметров, т.е. имеет место функциональная зависимость
Y = F(X,Q).
Данная система отношений является примером аналитической математической модели ПО. Наличие такой модели позволяет легко оценивать выходные параметры по известным значениям множеств X и Q.
Однако существование подобной зависимости не означает, что она известна разработчику и может быть представлена в таком явном виде. Как правило, модель в данном виде удается получить только для достаточно простых объектов. Типичной же является ситуация, когда математическое описание ПО задается моделью в форме системы уравнений, в которой фигурирует вектор фазовых переменных.
Фазовые переменные (ФП) характеризуют физическое или информационное состояние ПО, а их изменения во времени выражают переходные процессы в ПО. Фазовые переменные, как правило, выражаются через параметры ПО и определяют взаимосвязь между ними.
Исходные описания проектируемых объектов часто представляют собой техническое задание на проектирование. В этих описаниях фигурируют величины, называемые техническими требованиями к выходным параметрам yi. Технические требования образуют вектор TT
TT = (TT1, TT2,..., TTm),
где величины TTj представляют собой границы допустимых диапазонов изменения выходного параметра yj.
Требуемые соотношения между yj и TTj называются условиями работоспособности, которые имеют вид односторонних или реже двусторонних ограничений. Например, ограничения типа yj £ TTj накладываются на давление остаточных газов в вакуумной установке, неравномерность нанесения пленки, габариты устройства, потери давления в трубопроводах, допустимую мощность рассеяния и др. Ограничения yj ³ TTj характерны для производительности установки, коэффициента полезного действия, коэффициента выхода годных и др., а двусторонние ограничения TTj' < yj < TTj'' применимы для диапазона рабочих давлений в установке, поля температур, резонансной частоты избирательного усилителя, рабочих напряжений источника питания и т.п.
Задача современного инженера состоит в создании ТС, обладающих высокими технико-экономическими показателями и дающих наибольший экономический эффект. В настоящее время используют следующие показатели качества ТС:
1) функционирования - характеризуют полезный эффект от использования ТС по назначению и область их применения;
2) надежности - определяют свойство ТС сохранять свою работоспособность во времени;
3) технологичности - характеризуют эффективность конструкторско-технических решений для обеспечения высокой производительности при изготовлении и ремонте ТС;
4) экономические - оценивают затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию ТС и экономическую эффективность от эксплуатации;
5) эргономические - определяют систему “человек-изделие-среда” и учитывают комплекс свойств человека, проявляющихся в производственных условиях;
6) эстетические - оценивают внешние свойства ТС;
7) стандартизации и унификации - характеризуют степень использования в ТС стандартных изделий и уровень унификации их составных частей;
8) патентно-правовые - отражают степень патентной защиты конструкторских решений ТС в стране и за рубежом, а также ее патентную чистоту;
9) экологические - отражают степень вредного воздействия ТС на окружающую среду.
Только учет всех факторов дает основание конструктору выбрать из большого числа возможных вариантов решение, близкое к оптимальному. Показатели качества служат комплексом критериев, используемых для оценки принимаемых решений на различных этапах создания ТС при системном проектировании.
1.6. Классификация типовых задач проектирования
Проведя классификацию функциональных элементов проектируемой ТС и разбиение их по уровням иерархии, необходимо далее организовать процесс проектирования. Условно выделяются два основных способа организации проектирования: нисходящее и восходящее проектирование.
При нисходящем проектировании сначала решаются задачи на более высоком уровне, а затем последовательно переходят к решению задач на более низких уровнях, обеспечивая достижение основных параметров ТС.
Восходящее проектирование начинается с решения задач нижних иерархических уровней, а затем последовательно осуществляется переход к задачам более высокого уровня. Восходящее проектирование обычно имеет место на тех иерархических уровнях, где используются унифицированные и стандартные элементы.
Однако на практике редко встречается чисто нисходящее или восходящее проектирование, обычно процессы нисходящего и восходящего проектирования сочетаются, реализуя важнейший принцип проектирования сложных ТС - итерационность. Этот принцип обусловливает последовательное приближение к оптимальным результатам путем многократного повторения выполнения проектных процедур. Причем если на очередном этапе проектирования результат не достигается, то проводится повторное выполнение проектных процедур предыдущих этапов. Схема итерационного процесса проектирования приведена на рис. 1.2.
Основными проектными процедурами являются создание варианта конструкции (синтез) и последующий ее анализ на соответствие заданию.
Анализ ТС представляет собой изучение свойств ПО. При анализе не создаются новые объекты, а исследуются заданные.
Синтез ТС нацелен на создание новых вариантов ПО, причем для оценки этих вариантов используется анализ.
Таким образом, синтез и анализ в процессе проектирования выступают в диалектическом единстве, а процесс проектирования сводится к решению задач, относящихся либо к задачам синтеза, либо к задачам анализа.
Задачи анализа делятся на два типа задач:
одновариантный анализ - задаются значения внутренних и внешних параметров и требуется определить значения выходных параметров объекта. Подобная задача сводится к однократному решению уравнений, составляющих математическую модель (отсюда и название - одновариантный);
многовариантный анализ - исследуются свойства ПО в некоторой области пространства внутренних параметров. Такой анализ требует многократного решения систем уравнений (многократного выполнения одновариантного анализа).
Задачи синтеза также делятся на два типа задач:
структурный синтез - определяются состав ПО (т.е. перечень типов элементов, составляющих объект) и способ связи входящих в него элементов между собой;
параметрический синтез - вычисляются числовые значения параметров элементов при заданных структуре и условиях работоспособности.
Параметрический синтез обычно реализуется с помощью методов и алгоритмов оптимизации.
Расчет числовых значений параметров ПО, оптимальных по некоторым выбранным критериям при заданных структуре и условиях работоспособности, называется параметрической оптимизацией.
Обычно в проектировании ТО стоит задача найти не любой приемлемый вариант, а наилучший. Задача синтеза, при которой необходимо найти наилучший вариант проектного решения, называется структурной оптимизацией.
1.7. Задачи структурного синтеза и анализа и методы их решения в САПР
Задачи структурного синтеза относятся к задачам проектирования, наиболее сложным с точки зрения возможностей формализации, поскольку их решение связано с эвристическими способностями человека. Задачи синтеза делятся на пять уровней сложности:
1) наиболее простые задачи, в которых структура либо задана в ТЗ, либо выбор структуры однозначен или очевиден (например, на основе результатов ранее проведенных НИР);
2) выбор нужного варианта из небольшого конечного множества с заранее известными элементами (выбор среди стандартизованных или унифицированных вариантов);
3) выбор нужного варианта из большого, но конечного множества с заранее известным числом вариантов и самими вариантами;
4) выбор вариантов из множества с заранее неизвестным числом элементов или бесконечным их числом (приводит к нахождению принципиально нового технического решения);
5) задачи, решение которых возможно только на уровне открытий, т.е. планировать их решение нельзя.
Формализация задач структурного синтеза возможна на основе нескольких подходов.
1. Перебор вариантов из архива типовых структур. Для этого в САПР задается полный перечень вариантов структуры в виде каталога в базе данных. Поиск решения возможен путем полного перебора (допустим для задач до второго уровня сложности) или с применением итерационных алгоритмов сокращенного перебора (алгоритмы улучшения первоначально заданной структуры). В последнем случае количество проб меньше, чем при полном переборе, и можно решать задачи синтеза до третьего уровня сложности.
2. Перебор вариантов, генерируемых из библиотечных элементов. В САПР создаются библиотеки элементов без их привязки к каким-либо типовым структурам. Структура на каждом шаге поиска генерируется путем выбора элементов из библиотек с последующей оценкой варианта структуры (например, библиотеки физических эффектов, функциональных элементов, конструктивных элементов и др.). На этом принципе построена теория решения изобретательских задач (ТРИЗ) Г.С.Альтшуллера и создана “изобретающая машина”. Этот подход позволяет решать задачи до четвертого уровня сложности.
3. Последовательный синтез отличается от предыдущих подходов тем, что проводится не генерация и оценка законченной структуры, а постепенное ее наращивание с оценкой промежуточных частичных решений. Наращивание осуществляется путем включения в предыдущую частичную структуру новых элементов.
При реализации алгоритма последовательного синтеза выбирается начальный элемент, к которому поочередно по определенным правилам добавляют новые элементы до образования законченной струк
