- •1 Методологические основы моделирования сложных систем
- •1.1 Системность
- •Понятия общей теории систем
- •Определение понятия системы
- •Основные свойства, обязательные для любой системы.
- •Взаимодействие и взаимозависимость системы и внешней среды.
- •Определение понятий элементов, связей, функций, внешней среды системы. Элемент
- •Внешняя среда
- •Функции системы
- •Сложность систем
- •Системный подход
- •Классификация систем
- •Развитие искусственной системы и ее жизненный цикл
- •1.2 Моделирование
- •Общая методология моделирования
- •Основные принципы моделирования:
- •Процесс моделирования
- •Анализ и синтез в моделировании
- •Примеры сложных систем Космическая система наблюдения Земли как сложная техническая система Задачи космической системы наблюдения Земли
- •Состав и структура космической системы наблюдения Земли
- •2 Построение математических моделей
- •2.1 Математическая модель, математическое моделирование – основные понятия, термины и определения
- •Цели математического моделирования
- •2.2 Общие методы построения математической модели
- •Микроподход и макроподход в исследованиях системы.
- •Формальная запись модели системы
- •Понятие вариационных принципов
- •Модульное построение моделей
- •2.3 Требования к построению модели
- •Адекватность и достоверность модели
- •Равнозначимость внешнего и внутреннего правдоподобия
- •Анализ чувствительности модели
- •Пример анализа на чувствительность экономической задачи
- •3 Математические модели состояния и структуры системы
- •3.1 Модель состояния системы Состояние системы и ее функционирование
- •Формализация процесса функционирования системы
- •3.2 Модель структуры системы Основные понятия структуры системы
- •Модель состава и структуры системы
- •Методология моделирования структуры системы
- •Виды структур
- •Формирование структуры модели с позиций структурного моделирования.
- •Построение структурных моделей
- •3.3 Модель процесса функционирования
- •Установление функциональных зависимостей
- •Неопределенность функционирования системы
- •Пути уменьшения неопределенностей
- •Основные требования к модели процесса функционирования
- •Анализ функционирования, анализ структуры технической системы
- •Функционально – физический анализ технических объектов.
- •Пример разработки моделей деятельности организации
- •Пример функционально – физического анализа технических объектов
- •Конструкция бытовой электроплитки
- •Функционально стоимостной анализ.
- •4 Этапы построения моделей
- •4.1 Постановка задачи моделирования
- •Разработка содержательной модели
- •Разработка концептуальной модели
- •Описание внешних воздействий
- •Декомпозиция системы
- •Подготовка исходных данных для математической модели
- •Содержание концептуальной модели
- •4.2 Разработка математической модели
- •Разработка функциональных соотношений
- •Выбор метода решения задачи
- •Проверка и корректировка модели
- •Анализ чувствительности модели
- •Проверка адекватности модели
- •Контроль модели
- •Корректировка модели
- •Уточнение модели проектируемого объекта
- •Реализация математической модели в виде программ для эвм
- •4.3 Практическое использование построенной модели и анализ результатов моделирования
- •Примеры построения моделей Математическая реставрация Тунгусского феномена
- •1. Сбор информации о явлении, выдвижение гипотез.
- •2. Содержательная постановка задачи исследования явления.
- •3. Математическая постановка задачи.
- •4. Анализ результатов.
- •5. Проверка адекватности модели – сравнение с натурным экспериментом.
- •6. Анализ результатов.
- •Прогноз климатических изменений
- •1. Содержательная постановка задачи
- •2. Концептуальная постановка. Построение математической модели.
- •3. Проведение вычислительного эксперимента.
- •4. Анализ результатов вычислительного эксперимента.
- •5 Виды математических моделей
- •5.1 Классификация математических моделей
- •Пример представления модели различной сложности и классификации.
- •5.2 Классификация математических моделей в зависимости от оператора модели
- •Линейные и нелинейные модели
- •Обыкновенные дифференциальные модели
- •5.3 Классификация математических моделей в зависимости от параметров модели Непрерывные и дискретные модели
- •Детерминированные и неопределенные модели
- •Дискретно-детерминированная модель
- •Статические и динамические модели
- •Стационарные и нестационарные модели.
- •Формализация системы в виде автомата
- •Формализация системы в виде агрегата
- •Моделирование процесса функционирования агрегата
- •Моделирование агрегативных систем
- •Модель сопряжения элементов
- •6 Математические модели распределения ресурсов в исследовании операций
- •6.1 Моделирование операций распределения ресурсов
- •Формулировка задачи математического программирования
- •6.2 Модели линейного программирования
- •Формулировка общей задачи линейного программирования.
- •Типовые задачи линейного программирования
- •Транспортная задача.
- •Задача коммивояжера.
- •Задача о ранце.
- •Общая задача теории расписаний.
- •Примеры сведения практических задач к канонической транспортной задаче
- •6.3 Распределительные задачи линейного программирования
- •Примеры распределительных задач.
- •Распределение транспортных единиц по линиям
- •Выбор средств доставки грузов.
- •Задача о назначениях
- •Экономическая интерпретация задач линейного программирования.
- •Перевозки взаимозаменяемых продуктов
- •Перевозка неоднородного продукта на разнородном транспорте.
- •7 Математические модели физических явлений и процессов. Универсальность моделей
- •7.1 Математические модели на основе фундаментальных законов
- •Теоретический метод составления математических моделей
- •Основные фундаментальные законы механики
- •Работа, энергия, мощность
- •7.2 Уравнения движения
- •Динамика поступательного движения.
- •7.3 Уравнения состояния
- •Термодинамическая система.
- •Упругие свойства твердых тел.
- •Жидкости.
- •7.4 Универсальность моделей
- •Модели на основе аналогий
- •Типовые математические модели элементов и подсистем
- •Модель колебательного процесса
- •Модель консервативной системы.
- •Электрическая подсистема.
- •Модели элементов гидравлических систем
- •Модели элементов пневматических систем
- •8 Моделирование производственных процессов
- •8.1 Модели систем массового обслуживания
- •Основные элементы систем массового обслуживания.
- •Характеристики потока
- •Классификация смо
- •Оценка эффективности смо
- •Аналитические и статистические модели
- •8.2 Модели производственных процессов
- •Дискретный производственный процесс
- •Непрерывный производственный процесс
- •Агрегатное представление производственного процесса
- •Имитационное моделирование процессов функционирования
- •Формализация основных операций производственного процесса Формализованная схема дискретного производственного процесса.
- •Формализация отклонения течения производственного процесса от нормального
- •Моделирование комплексного процесса обработки, сборки и управления при поточном производстве
- •Формализованная схема непрерывного производственного процесса.
- •9 Синтез модели (проекта) системы
- •9.1 Проектирование системы как процесс создания (синтеза) ее модели
- •9.2 Методология проектирования
- •Типовые проектные процедуры формирования облика системы
- •9.3 Эффективность системы Понятие эффективности системы
- •Формирование модели цели системы
- •Выбор критериев и показателей эффективности
- •Основные принципы выбора критериев эффективности:
- •Проблемы многокритериальности
- •9.4 Технология проектирования
- •9.5 Принятие решений в проектировании
- •Выбор в условиях неопределенности
- •Моделирование принятия решения
- •Прогнозирование в принятии решений
- •9.6 Анализ инвестиционной привлекательности системы Основные типы инвестиций.
- •Основные экономические концепции инвестиционного анализа.
- •Состав работ при инвестиционном проектировании
- •Конкурентоспособность проектируемой системы Оценка потенциальной емкости рынка и потенциального объема продаж
- •Оценка конкурентоспособности
- •Методы оценки эффективности инвестиций
- •Метод определения чистой текущей стоимости.
- •Метод расчета рентабельности инвестиций
- •Метод расчета внутренней нормы прибыли
- •Расчет периода окупаемости инвестиций
- •Маркетинг и управление проектом
- •Задачи управления проектами
- •9.7 Особенности синтеза модели (проекта) технических систем Этапы проектирования
- •Особенности проектирования адаптивных систем
- •Моделирование функционирования технической системы Особенности построения моделей при проектировании
- •Формирование технического облика системы
- •Формирование структуры системы
- •Выбор основных проектных параметров системы
- •Формирование множества вариантов системы
- •10 Информационное обеспечение синтеза системы
- •10.1 Основные задачи и типы информационных систем Общие свойства информационных систем
- •Файл-серверные информационные системы
- •Клиент-серверные информационные системы
- •Архитектура Интернет/Интранет
- •Хранилища данных и системы оперативной аналитической обработки данных
- •10.2 Особенности проектирования информационных систем
- •Схемы разработки проекта
- •1. Предпроектные исследования
- •2 Постановка задачи
- •3 Проектирование системы
- •Архитектура программного обеспечения
- •Подсистема администрирования.
- •Техническая архитектура
- •Организационное обеспечение системы
- •4 Реализация и внедрение системы
- •10.3 Концепции автоматизации проектирования
- •История развития сапр
- •Классификация сапр
- •Стратегическое развитие сапр Современное состояние сапр
- •Направления разработки проектной составляющей сапр
- •Разновидности сапр
- •Математическое и информационное обеспечение сапр
- •11 Моделирование процесса управления
- •11.1 Основные определения
- •Формальная запись системы с управлением
- •11.2 Модели систем автоматического управления
- •Устойчивость движения систем
- •Определение программного движения и управление движением
- •11.3 Модели автоматизированных систем управления
- •Модели автоматизированных систем управления производственными процессами
- •Модели автоматизированных систем управления предприятием
Направления разработки проектной составляющей сапр
Направления разработки проектной составляющей САПР должны соответствовать ключевым направлениям развития проектируемых технических систем: прежде всего разрабатываются те САПР, внедрение которых в наибольшей степени повысит эффективность проектируемой системы. Особенности конкретной САПР определяются особенностями этапа проектирования, который она призвана автоматизировать: целями и задачами, которые необходимо решить на определенном этапе проектирования, особенностями процесса проектирования на этом этапе, возможными изменениями в технологии проектирования при внедрении САПР, этапностью разработки и внедрения САПР.
Очевидно, что в наибольшей степени влияет на эффективность создаваемой системы начальный этап проектирования – этап формирования концепции системы: от концепции и выбранного облика больше всего зависит эффективность системы и ошибки в формировании облика системы трудно исправимы на последующих этапах.
Автоматизация начального этапа проектирования (внешнего проектирования) – этапа формирования облика системы – наиболее важное направление разработки САПР. Несмотря на то, что стоимость этого этапа мала, здесь большую роль играет цена возможной ошибки, которую нельзя исправить на последующих этапах, и которая влияет на эффективность системы.
Важность автоматизации работ начального, концептуалльного этапа проектирования демонстрирует статистика оценки цены одной ошибки на различных этапах производства: $1 – на этапе концептуального проектирования, $10 - конструкторской проработки, $100 - изготовления макета изделия, $1000 - проектирования технологической оснастки, $10 000 - изготовления оснастки, $100 000 - выпуска установочной серии, $1000 000 – серийного производства.
Особенности этого этапа проектирования: большое количество разнообразных альтернативных вариантов, большой объем расчетных работ, разнообразие задач и математических моделей.
Автоматизация чертежных работ, инженерных расчетов, внедрение методов вычислительной математики существенно усовершенствовали проектные процедуры (задачи анализа), свели к минимуму возможные ошибки расчетов, но до сих пор не решена главная задача этапа внешнего проектирования – автоматизация синтеза – формирования облика системы.
Создание единой САПР формирования облика системы в отличие от более поздних этапов проектирования практически невозможно – речь может идти об информационном обеспечении и автоматизации отдельных проектных процедур с учетом возможности их адаптации к будущим изменениям при проектировании других подобных объектов.
Как нет единой теории проектирования, так и не может быть создана единая САПР для проектирования любых объектов, – на основе общих системных подходов для каждого типа объектов строятся отдельные подсистемы САПР, ориентированные на определенные задачи конкретного этапа проектирования. Разработка единой САПР даже для одного вида объекта для начального этапа проектирования практически невозможна, да и нецелесообразна в силу большой размерности задачи.
При этом особую важность приобретает выбор направлений разработки САПР и совокупности решаемых с использованием САПР задач.
Необходима разработка отдельных, слабо взаимосвязанных подсистем с максимальным использованием опыта разработки аналогичных подсистем САПР, созданных для проектирования объектов предыдущих поколений. Практически это может быть осуществлено, если каждая подсистема САПР будет разрабатываться с учетом возможного ее будущего использования для проектирования родственных объектов или объектов следующего поколения. Причем, каждая подсистема дорабатывается с учетом новых особенностей проектируемого объекта (построена по открытой схеме). Принципы построения каждой вновь вводимой подсистемы должны разрабатываться на основе общих принципов построения САПР с максимальным выделением инвариантных компонент в каждом из обеспечений САПР. Информационное, техническое, организационное обеспечения САПР могут быть полностью инвариантными при разработке каждой новой подсистемы они, при необходимости, могут расширяться и дорабатываться под новые требования.
Понимание важности анализа информации при изготовлении высокотехнологичных изделий приводит к пониманию необходимости перехода к новым, информационным технологиям проектирования и производства.
Именно это формирует объективные предпосылки целесообразных направлений развития САПР в широком смысле этого понятия.
Инженерный труд, как традиционно не связанный с торговыми операциями, оплачивается низко, сейчас тем более - вкладывание средств в автоматизацию инженерного труда (освобождения от тяжелой рутинной работы, улучшения качества проекта и уменьшение стоимости проектных работ, быстрое получение более дешевых чертежей) не эффективно.
Но современное проектирование сложных объектов может быть выполнено только при:
полном представлении всей сложности объекта во всех деталях,
предоставлении разным исполнителям различной, но взаимоувязанной информации (в связи с разделением труда),
предоставлении возможности анализа функционирования объекта в различных условиях применения.
САПР сложного объекта, вообще не может быть создана в виде программы, только обрабатывающей данные: необходимо электронное моделирование объекта и условий его функционирования с механизмом обмена информацией – необходим глобальный переход от бумажного описания объекта к структурированной электронной информации.
Таким образом, автоматизация инженерного труда может стать целью создания САПР на современном этапе только лишь как промежуточный этап – подготовка предпосылок для перехода к повсеместной электронной информации, которая в будущем станет основой производства (как сейчас бумажные носители информации).
Именно эта комплексная цель и является стратегической основой развития современных САПР. Выбирать можно лишь между тактическими моментами при решении вопросов, связанных с автоматизацией инженерного труда. Стратегически выбора нет - так же как когда-то не было выбора при переходе в проектировании от словесного описания (от отца к сыну) на бумажные носители.
Современное развитие САПР – это только тактические решения, которые принципиально не ведут к прорывным технологиям.