В общем случае методика получения ММ включает в себя следующие операции:
1. Выбор свойств объекта, которые подлежат отражению в модели;
2. Сбор исходной информации о выбранных свойствах объекта;
3. Синтез структуры ММ;
4. Расчет числовых значений параметров ММ. Эта задача ставится как задача минимизации погрешности модели заданной структуры, т.е.
min eM(X),
XÎXД где X- вектор параметров ММ; XД- область варьирования параметров; eM- погрешность ММ(см.3.1);
5. Оценка точности и адекватности ММ.
Основные принципы построения САПР. Выделим следующие основные принципы построения САПР:
С А П Р – ч е л о в е к о - м а ш и н н а я с и с т е м а. Все созданные и создаваемые с помощью ЭВМ системы проектирования являются автоматизированными, важную роль в них играет человек – инженер, разрабатывающий проект Т-системы.
В настоящее время и, по крайней мере, в ближайшие годы создание САПР «не угрожает» монополии человека при принятии узловых решений в процессе проектирования. Человек должен решать, во-первых, все задачи, формализация которых не достигнута, во-вторых, задачи, решение которых осуществляется человеком на основе эвристических способностей более эффективно, чем решение современной ЭВМ на основе вычислительных возможностей. Тесное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирования – один из принципов построения и эксплуатации САПР.
С А П Р – и е р а р х и ч е с к а я с и с т е м а. Она реализует комплексный подход к автоматизации всех уровней проектирования. Иерархия уровней проектирования отражается в структуре специального программного обеспечения САПР в виде иерархии подсистем. Следует особо подчеркнуть целесообразность обеспечения комплексного характера САПР, так как автоматизация проектирования на одном из уровней при сохранении старых форм проектирования на соседних уровнях оказывается значительно менее эффективной, чем полная автоматизация всех этапов. Иерархическое построение относится не только к специальному программному обеспечению, но и к техническим средствам САПР, разделяемых на центральный вычислительный комплекс и автоматизированные рабочие места проектировщиков.
С А П Р – с о в о к у п н о с т ь и н ф о р м а ц и о н н о с о г л а с о в а н н ы х п о д с и с т е м. Этот очень важный принцип должен относиться не только к связям между крупными подсистемами, но и к связям между более мелкими частями подсистем. Информационная согласованность означает, что все или большинство возможных последовательностей задач проектирования обслуживаются информационно согласованными программами. Две программы являются информационно согласованными, если все те данные, которые представляют собой объект переработки в обеих программах, входят в числовые массивы, не требующие изменений при переходе от одной программы к другой. Так, информационные связи могут проявляться в том, что результаты решения одной задачи будут исходными данными для другой задачи. Если для согласования программ требуется существенная переработка общего массива данных с участием человека, который добавляет недостающие параметры, вручную перекомпоновывает массив или изменяет значения отдельных параметров, то это значит, что программы плохо согласованы. Ручная перекомпоновка массива ведет к существенным временным задержкам, росту числа ошибок и поэтому снижает эффективность работы САПР. Плохая информационная согласованность превращает САПР в совокупность автономных программ, при этом из-за неучета в подсистемах многих факторов, оцениваемых в других подсистемах, снижается также качество проектных решений.
Еще одним близким по смыслу, но не полностью совпадающим с рассмотренными является принцип оптимальности связей между САПР и внешней средой. Если каждый раз при проектировании очередного объекта заново вводятся в систему не только действительно специфические новые исходные данные, но и сведения справочного характера, например параметры унифицированных элементов, то тем самым получают нерациональную организацию связей САПР с окружающей средой. Очевидно, что все данные, используемые многократно при проектировании разных объектов, должны храниться системой в банке данных – информационном обеспечении САПР.
С А П Р – о т к р ы т а я и р а з в и в а ю щ а я с я с и с т е м а. Существует, по крайней мере, две существенные причины, по которым САПР должна быть изменяющейся во времени системой. Во-первых, разработка столь сложного объекта, как САПР, занимает продолжительное время и экономически выгодно вводить в эксплуатацию части системы по мере их готовности. Введенный в эксплуатацию базовый вариант системы в дальнейшем расширяется. Во-вторых, постоянный прогресс вычислительной техники и вычислительной математики приводит к появлению новых, более совершенных математических моделей и программ, которые должны заменять старые, менее удачные аналоги. Поэтому САПР должна быть открытой системой, т. е. обладать свойством удобства включения новых методов и средств.
С А П Р – с п е ц и а л и з и р о в а н н а я с и с т е м а с м а к с и м а л ь н ы м и с п о л ь з о в а н и е м у н и ф и ц и р о в а н н ы х м о д у л е й. Требования высокой эффективности и универсальности, как правило, противоречивы. Применительно к САПР это положение справедливо. Высокой эффективности САПР, выражаемой прежде всего малыми временными и материальными затратами при решении проектных задач, добиваются за счет специализации систем. Но очевидно, что при этом растет число различных САПР. Чтобы снизить расходы на разработку многих специализированных САПР, целесообразно строить их на основе максимального использования унифицированных составных частей. Необходимым условием унификации является поиск общих положений в моделировании, анализе и синтезе разнородных технических объектов.
Стадии создания САПР. По ГОСТ 23501.1-79 САПР имеет следующие этапы создания.
П р е д п р о е к т н ы е и с с л е д о в а н и я проводятся для обследования организации на готовность ее к автоматизации процесса проектирования. Результатом должен быть ответ на вопрос: рационально ли функционирование САПР в данной организации на текущий период или необходимо провести комплекс подготовительных работ?
Т е х н и ч е с к о е з а д а н и е (Т 3) является исходным документом для создания САПР, который должен содержать наиболее полные исходные данные и требования. Этот документ разрабатывает организация – головной разработчик системы. Техническое задание должно содержать следующие основные разделы:
- «Наименование и область применения» – полное наименование системы и краткую характеристику области ее применения;
- «Основание для создания» – наименование директивных документов, на основании которых создается САПР;
- «Характеристика объектов проектирования» – сведения о назначении, составе, условиях применения объектов проектирования;
- «Цель и назначение» – цель создания САПР, ее назначение и критерий эффективности функционирования;
- «Характеристика процесса проектирования» – общее описание процесса проектирования; требования к входным и выходным данным, а также требования по разделению проектных процедур (операций), выполняемых с помощью неавтоматизированного и автоматизированного проектирования;
- «Требования к САПР» – требования к САПР в целом и к составу ее подсистем, к использованию в составе САПР ранее созданных подсистем и компонентов САПР и т. п.;
- «Технико-экономические показатели» – затраты на создание САПР, источники получения экономии и ожидаемую эффективность от применения САПР.
Т е х н и ч е с к о е п р е д л о ж е н и е, э с к и з н о е и т е х н и ч е с к о е п р о е к т и р о в а н и е являются этапами выбора и обоснования вариантов для принятия окончательных решений. На этих этапах производят следующие основные работы:
- выявляют процесс проектирования (его алгоритм), где принимают основные технические решения;
- разрабатывают структуру САПР и взаимосвязь ее с другими системами, где определяют состав проектных процедур и операции по подсистемам, уточняют состав подсистем и взаимосвязи между ними; разрабатывают схему функционирования САПР;
- при принятии решений по математическому, лингвистическому, техническому, информационному и программному обеспечению САПР в целом и подсистемам определяют: состав методов, математических моделей для проектных операций и процедур; состав языков проектирования; состав информации, объем, способы ее организации и виды машинных носителей информации; состав общего, специализированного общего и специального программного обеспечения; состав технических средств (ЭВМ, периферийных устройств и других вычисляющих и управляющих комплексов), рассчитывают технико-экономические показатели САПР.
При создании САПР стадии технического предложения и эскизного проектирования не являются обязательными, а входящие в них работы выполняются на последующей стадии.
Р а б о ч е е п р о е к т и р о в а н и е является этапом оформления всей документации, необходимой для создания и функционирования САПР.
Затем компоненты САПР изготовляют (получают) и отлаживают. Производят монтаж, наладку и испытание комплекса технических средств автоматизации проектирования и подготавливают организацию к вводу в действие САПР.
В в о д в д е й с т в и е системы осуществляют после опытного функционирования и приемочных испытаний у заказчика.
Технология разработки САПР. Исходя из основных положений системного анализа, можно наметить последовательность решения многовариантных проектных задач с помощью средств вычислительной техники. Основными этапами разработки САПР технических систем по этой схеме являются:
- постановка задачи;
- разработка стратегии;
- разработка методики решения задачи;
- разработка информационного обеспечения;
- разработка программного обеспечения;
- выбор технических средств и конфигурации вычислительной системы.
Определяющими здесь являются первые три этапа, которые существенно влияют на качество проектных решений; другие этапы имеют большое значение для повышения производительности проектно-конструкторского процесса.
Важными этапами в процессе решения задачи являются те, в которых происходит разветвление путей дальнейшего хода решения. При этом должны быть получены ответы на вопросы:
1. Может ли быть решена общая или частная задача?
2. Могут ли быть использованы существующие зависимости?
3. Есть ли методы решения задачи?
4. Могут ли быть использованы существующие системы управления базой данных?
В результате могут появиться несколько направлений решения, каждое из которых получает свое дальнейшее развитие. Получение частичного решения нежелательно, так как нет уверенности, что оно может привести к оптимальному общему. Поэтому полученное частичное решение требует проверки. Большое значение имеет возможность использования существующих зависимостей для формализации проектных процедур. От этого зависит возможность применения вычислительных методов для решения задачи и более полного использования ЭВМ. При отсутствии типовых методов решения необходима разработка новых и т. д. В случае, если дополнительные этапы не срабатывают, то в действие вступают обратные связи, которые приводят либо к уточнению постановки задачи, либо к более полной формализации задачи (для чего проводят дополнительные научно-исследовательские работы) и т. п.
Следовательно, для наиболее полного и эффективного использования вычислительной техники в САПР необходимы глубокие знания разработчиков по вопросам:
- теории проектирования Т-систем;
- теории технологии машиностроения, конструирования технических средств, резания материалов и т. д.;
- использования вычислительных методов решения проектных задач;
- теории автоматизированной переработки информации;
- применения современных вычислительных средств.
Методическое обеспечение САПР. Методическое обеспечение САПР предназначено для установления правил определения состава комплекса средств автоматизации проектирования, а также правил его эксплуатации. По общесистемным аспектам САПР методическое обеспечение охватывает:
- общие положения разработки технической документации и типовых проектных решений;
- правила формирования и ведения информационного обеспечения, требования, предъявляемые к составу программного обеспечения, и т. д.
Компонентами методического обеспечения САПР являются документы, в которых изложены полностью или со ссылкой на первоисточники: теория, методы, способы, модели, алгоритмы, терминология, а также нормативы, справочники и стандарты, устанавливающие состав и правила отбора и эксплуатации средств автоматизированного проектирования систем.
Основными этапами разработки методического обеспечения САПР Т-систем являются:
- постановка общей задачи проектирования;
- разработка стратегии проектирования;
- разбиение общей задачи проектирования на части;
- выбор методов и способов решения.
Постановка задачи проектирования. Объем и состав работ при решении задач проектирования определяются прежде всего постановкой задачи. При этом необходимо:
- уяснить, отчего и в связи с чем возникла проблема;
- установить, почему она рассматривается как нерешенная, и выявить ее отличие от смежных или близких задач.
Для этого требуется четкая формулировка задачи, ее анализ и поиск возможных путей решения.
Ф о р м у л и р о в к а з а д а ч и п р о е к т и р о в а н и я. Главным вопросом формулировки задачи проектирования Т-систем является описание их функций. При этом описание функции основывается на рассмотрении модели объекта проектирования как «черного ящика». Под функцией в данном случае понимают действие рассматриваемой Т-системы для преобразования некоторого исходного или начального состояния (ситуации) в желательный конечный результат. Иногда кроме начального и конечного состояний необходимо еще описать особые условия и ограничения, накладываемые на реализацию функции.
Представление объекта проектирования в виде «черного ящика» для описания его функции
Формула описания функции Т-системы формально состоит из трех компонентов:
F = (D, G, Н),
где D – указание действия, производимого рассматриваемой Т-системой и приводящего к желательному результату; G – указание объекта (объектов), на который направлено это действие; Н – указание особых условий и ограничений, при которых выполняется действие.
А н а л и з р е ш а е м о й з а д а ч и. На данном этапе необходимо выполнение следующих проектных процедур:
1) выявить компоненты задачи:
- переменные, которые не зависят от воли проектировщика (факторы окружающей среды, независимые переменные);
- переменные, которые должны определяться проектом (цели или зависимые переменные);
- переменные, которые проектировщик может использовать (факторы решения);
2) выявить ограничения или граничные условия, т. е. предельные значения всех переменных;
3) прогнозировать вероятные значения факторов окружающей среды;
4) установить возможные пути решения задачи.
Переменные, которые не зависят от воли проектировщика и которые должны определяться проектом, анализируются при рассмотрении системной модели объекта проектирования в виде «черного ящика». При этом определяют в первую очередь параметры входа, к которым относят независимые переменные и факторы окружающей среды, и параметры выхода, к которым относят цели проектирования:
После определения параметров входа и выхода при заданном принципе действия Т-системы выявляют так называемые факторы решения, т. е. те переменные, влияя на которые проектировщик может достичь заданной цели.
Важным является и выявление ограничений на параметры задачи, и определение вероятностных значений факторов окружающей среды.
Путем сравнения проектируемой Т-системы с аналогичными по D, G, Н можно установить, почему рассматриваемая задача является нерешенной и выявить ее отличие от подобных задач.
П о и с к в о з м о ж н ы х п у т е й р е ш е н и я задачи проектирования осуществляется по следующим направлениям:
- подбор существующих Т-систем для выполнения заданной функции;
- использование существующих Т-систем в качестве аналогов новой Т-системы (модернизация);
- проектирование оригинальной Т-системы.
Для определения пути решения проектной задачи проводится поиск в информационной системе, которая содержит сведения обо всех объектах, спроектированных ранее. Данная проектная операция должна выполняться всегда. Если даже не удастся найти Т-систему, полностью отвечающую заданным характеристикам, то выявятся объекты с рядом близких или сходных параметров, которые могут быть выбраны в качестве аналогов для конструкторского процесса. При выявлении необходимости проведения конструкторских работ формулируют задание на проектирование по форме, изложенной выше. В качестве приложения к заданию дается перечень параметров входа и выхода в виде текста, чертежей, схем и т. п.
Разработка стратегии проектирования. Под стратегией проектирования понимают укрупненный план решения проектно-конструкторских задач, определяющий структуру САПР и состав проектных подсистем. Следовательно, при разработке стратегии проектирования необходимо:
- разбить задачу проектирования на части;
- разработать укрупненный план ее решения, так как проектирование сложных Т-систем прямого (одноэтапного) решения не имеет.
Р а з б и е н и е з а д а ч и н а ч а с т и. Оно выполняется на основе методов функционально-структурного анализа и синтеза Т-систем. Цель функционального анализа заключается в иерархическом разделении Т-систем на функциональные элементы и описании их функций, а синтез должен дать структуру Т-систем, отражающую конструктивно-функциональные взаимодействия между элементами.
Анализ функций Т-систем ведется в следующем порядке.
1) Уточняется описание функции Т-систем и определяются объекты V, на которые направлено действие рассматриваемой Т-системы. При этом компонента G в описании функции F, как правило, совпадает с объектами V. Эту взаимосвязь можно использовать для взаимного контроля правильности описания G и V.
2) Определяются функциональные элементы первого уровня. Рассматриваемую Т-систему разделяют на небольшое число укрупненных (более или менее равноценных) конструктивных элементов, каждый из которых имеет минимальное число самостоятельных функций по обеспечению работы основных или (и) других элементов Т-системы. При этом принимают во внимание типовые функциональные элементы, соответствующие установившемуся в инженерной практике конструктивному разделению Т-систем. Одновременно с выделением элементов первого уровня описывают их функции.
Среди элементов первого уровня в первую очередь описывают исходный элемент и его функцию. Исходный элемент может иметь несколько функций.
3) Определяются функциональные элементы второго уровня. Любой функциональный элемент (кроме неделимых элементов) можно рассматривать как самостоятельную Т-систему и делить на функциональные элементы.
В связи с этим каждый из выделенных элементов первого уровня можно рассматривать как самостоятельную Т-систему, т. е. для последующего разделения каждого из них на элементы второго уровня можно использовать изложенные методические рекомендации по выделению функциональных элементов первого уровня.
4) Определяются функциональные элементы третьего и последующих уровней.
5) Составляют таблицы результатов анализа функций Т-системы. При этом при описании каждой функции приводят обозначения объектов и элементов, на которые направлено действие рассматриваемого элемента. Дублирование этих обозначений значительно облегчает построение функциональной структуры Т-системы и последующий контроль правильности построения.
Разделение Т-системы проводится до неделимых элементов или прекращается на более высоких уровнях иерархии в зависимости от требования решаемой задачи.
6) Синтезируется функциональная структура Т-системы на основе результата анализа ее функций. При этом данная многоуровневая структура указывает как на функциональные, так и на конструктивные связи между элементами на разных уровнях разбиения.
Разбиение задачи на части выполняется на основе результатов функционального анализа Т-системы в два этапа:
- выполнение многоуровневой структуры построения объектов проектирования;
- выявление частных задач и их формулировка.
Р а з р а б о т к а у к р у п н е н н о г о п л а н а р е ш е н и я з а д а ч и п р о е к т и р о в а н и я – это определение последовательности действий (стратегии), выбираемой проектировщиком или конструктором с целью преобразования исходного технического задания в готовый проект.
Классификация стратегий проектирования обычно выполняется по двум показателям: степени заданности и схеме поиска.
Заранее заданные, или готовые, стратегии жестко зафиксированы подобно программам ЭВМ. Они больше подходят для проектирования в знакомых ситуациях, т. е. для объединения и модернизации существующих конструкций, чем для изобретения новых Т-систем. Большой опыт проектирования технологических систем позволяет создавать их по предсказуемой схеме.
В идеальном случае следует стремиться к выбору или разработке линейной стратегии, т. е. стратегии, состоящей из цепочки последовательных действий, в которой каждое действие зависит от исхода предыдущего, но не зависит от результатов последующих действий.
Линейная стратегия
Циклическая стратегия Разветвленная стратегия
Если после получения результатов на одном из этапов приходится возвращаться к одному из предыдущих, стратегия становится циклической. Встречаются случаи, когда две или несколько петель обратной связи охватывают друг друга, как показано на рис. Такая схема с петлями характерна для многих программ ЭВМ. Она отвечает итерационному процессу, т. е. процессу последовательного приближения к цели путем улучшения разрабатываемых вариантов.
Когда проектировщики решают какие-либо задачи независимо один от другого, может иметь место разветвленная стратегия. В нее могут входить параллельные этапы, очень выгодные для сокращения сроков проектирования, и альтернативные этапы, которые позволяют в определенной мере видоизменять стратегию в соответствии с исходом предыдущих этапов.
Адаптивные стратегии отличаются тем, что в них первоначально определяется первое действие. Дальнейший выбор каждого действия зависит от результатов предшествующего действия. В принципе это самая разумная стратегия, так как схема поиска определяется на основе наиболее полной информации. Поэтому адаптивные стратегии являются основой для создания «машинного интеллекта». Их недостаток состоит в невозможности предвидеть и контролировать затраты и сроки выполнения проекта.
Адаптивная стратегия
Стратегия случайного поиска отличается абсолютным отсутствием плана. При выборе каждого этапа сознательно не учитываются результаты остальных этапов, что придает поиску непредубежденный характер. Он используется в новаторском проектировании, когда неразумно пренебрегать ни одним из внесенных предложений, пока не будет собрана дополнительная информация.
Методы управления стратегией, или самоорганизующиеся системы проектирования предназначены для оценки стратегии в соответствии с внешними критериями и промежуточными результатами осуществления ее. Целесообразным представляется строить план решения задач с выполнением проектирования в подсистемах и крупных процедурах по линейной стратегии на каждом из уровней проектирования с максимальным использованием параллельных этапов.
Результаты проектных работ по каждой частной задаче оформляются в виде технического задания, которое может дать информацию о последующем плане (стратегии) ее детализации. Например, в результате разработки ТЗ на станок можно определить три стратегии: выбрать готовую конструкцию, наметить аналоги для модернизации, начать проектирование нового станка.
Методы и способы принятия решений в САПР. Сам по себе процесс принятия решения есть компромисс. Принимая решения, необходимо взвешивать суждения о ценности, что включает рассмотрение экономических факторов, технической целесообразности и научной необходимости, а также учитывать социальные и чисто человеческие факторы. Принять «правильное» решение – значит выбрать такую альтернативу из числа возможных, в которой с учетом разнообразных факторов будет оптимизирована общая ценность.
В САПР выбор методов и способов принятия проектных решений во многом зависит от вида описания объекта проектирования и полноты формализации связей его системной модели. Например, отображение, описывающее объект проектирования в виде статистической модели, можно задать различными способами: графиком, таблицей, алгоритмом вычислений выходных переменных, функцией и т. д. Отображение же, описывающее динамическую модель, можно задать различными классами дифференциальных или разностных уравнений линейного или нелинейного типа. Разумеется, каждому виду описания модели соответствует свой способ решения. Если связи системных объектов формализовать не удалось или удалось только на уровне логического описания, то возможно при принятии решений использование только эвристических методов. При разработке математических моделей объекта проектирования возможно применение вычислительных методов для получения оптимальных результатов.
Способы решения проектных задач из арсенала эвристических методов, в которых учтены возможности максимального использования вычислительных средств, включают в себя матрицы решений, таблицы принятия решений, графы зависимостей и др.
Постановка оптимизационных задач. При проектировании технологических систем и технических средств можно отметить два основополагающих правила оптимизации:
- либо получение желаемого эффекта при минимуме затрат;
- либо получение максимального эффекта при использовании заданных ограниченных ресурсов.
Иногда эти правила трактуются ошибочно: «получение максимального эффекта при минимуме затрат». Однако такая трактовка логически противоречива и ее требования невозможно выполнить.
Оптимизация действия, объекта или его отдельной характеристики означает выбор из множества возможностей. Этот выбор осуществляется в соответствии с принятыми критериями.
Использование этих критериев позволяет осуществить оптимизацию. С другой стороны, оптимизация рассматривается как рациональная процедура, возможная лишь тогда, когда существуют различные варианты и принятые критерии выбора. Чем шире область возможных решений и чем более удачно выбраны критерии, тем больше вероятность нахождения абсолютного оптимума. Практически всегда определяется относительный оптимум, поскольку выбор критериев никогда не бывает идеальным, а область возможных решений всегда ограниченна.
Выбор решения является ключевой процедурой процесса оптимизации. Большое значение имеет способ выбора, если он неочевиден и неоднозначен. К таким способам выбора относятся: критериальный, волевой, случайный. Рационализация процесса принятия решений связана со стремлением использовать критериальный выбор.
