Обобщенный алгоритм проектирования

7

Обобщенный алгоритм проектирования

На разных стадиях проектирования допускается типизация описаний стадий. Так, на каждой стадии формулируются определенные совокупности проектных задач, решение которых приводит к достижению поставленных при проектировании целей. При решении этих задач выделяются проектные операции - достаточно законченные последовательности действий, завершающиеся определенными промежуточными результатами. Последовательности проектных операций, приводящие к решению проектных задач, называют проектными процедурами.

Под проектной процедурой понимают формализованную совокупность действий, в результате выполнения которой получают проектное решение.

Проектное решение - промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.

Проектные операции - это действия или формализованная совокупность действий, алгоритм которых остается неизменным для ряда проектных процедур.

Каждая стадия проектных работ может быть описана в терминах проектных процедур и операций с учетом их логических связей. Весь процесс проектирования после этого становится логически увязанной системой стадий, процедур и операций. Эту систему называют обобщенным алгоритмом проектирования. (См. алгоритм на рис.).

Для каждой степени детализации описания объекта (иначе говоря, для каждого уровня иерархической структуры проектируемого объекта: объект (0-уровень) —> обеспечивающие подсистемы (1 уровень) —> узлы (2 уровень) —> .......—> элементы (последний к-тый уровень)) выполняется следующая последовательность проектных операций:

1. формализация целей проектной задачи,

2. анализ исходных данных,

3. выработка предварительных предложений о средствах достижения целей (декомпозиция объекта проектирования на составляющие части или синтез структуры),

4. моделирование выбранных классов или типов объектов проектирования в виде соотношений Y = F(X, Q), LV(Z) = f(Z) или других ММ, о которых речь пойдет далее; ограничений Y<ТТ, Y>ТТ, , и функционалов качества I = K(Y),

5) выработку вариантов проектных решений на основе анализа моделей,

6) испытание и структурное согласование предварительных проектных решений,

7) принятие окончательных проектных решений,

8. документирование результатов проектирования как законченного фрагмента проекта.

K

СИНТЕЗ

ОПТИМИЗАЦИЯ

нет

да 1

нет 2

да 3

нет

да

K+1

K+2

Обобщенный алгоритм проектирования

Как видно из рисунка, для каждого уровня представления объекта проектирования (на рисунке он обозначен как k+1) на предыдущем уровне формулируется техническое задание, которое формализуется в виде соотношений (3) для выходных параметров:

Y ТТ , Y ТТ, (3)

Собственно проектирование начинается с синтеза структуры и разработки соответствующей математической модели. Как уже говорилось ранее, некоторые внутренние параметры в такой модели могут изменяться проектировщиком. Такие параметры называются проектными и для них определяются начальные или базовые значения. Источниками для определения этих значений могут быть справочники, прототипы или они могут рассчитываться по формулам конструктора.

Далее выполняется проектная процедура анализа – расчет выходных параметров по математической модели. Обратите внимание! Решающие блоки 1, 2, 3 в этом алгоритме отображают проектные решения, которые должны дать ответ на вопрос: заканчивать или продолжать процесс проектирования?

На рисунке проектные процедуры анализа, оптимизации и синтеза выделены двойными линиями, что позволяет убедиться в том, что эти процедуры являются вложенными.

Решающий блок 4 отражает факт итерационности процесса проектирования. Изменения параметров проектирования могут привести к многократному анализу, если результаты анализа для области определения проектных параметров являются неудовлетворительными, вносятся изменения в структуру объекта, что потребует внесения изменений в математическую модель объекта. Возможен и такой вариант, когда все возможные изменения в структуре объекта не приводят к желаемому проектному решению, тогда необходимо вносить изменения в формулировку технического задания. Как правило, это происходит в таких случаях, когда неверно определяются ограничения для противоречивых выходных параметров (подумайте, какие противоречивые выходные параметры Вы знаете для САУ).

Для уяснения сущность проектных процедур анализа, синтеза и оптимизации обратимся к явной ММ объекта проектирования, отражающей его функциональный аспект:

Y = F(W,U, Q), (2.1)

где Y также, как в формуле (1.1) - вектор выходных характеристик (параметров), а в векторе X выделены в отдельные составляющие U- вектор проектных параметров (они потому и названы проектными, что проектировщик их может назначать, исходя из тех или иных требований к объекту проектирования) и W - вектор остальных внутренних параметров, Q - вектор воздействий на элемент внешних факторов, иначе вектор внешних воздействий, F - вектор-функция, отражающая влияние внутренних и внешних параметров на выходные.

Проектная процедура синтеза заключается в построении структурной схемы объекта проектирования, назначении (выделении) проектных параметров U, определении области допустимых значений этих параметров, построении структурной схемы объекта проектирования и вычислении номинальных (базовых) значений этих параметров.

Процедура анализа состоит в определении, удовлетворяют ли техническим требованиям выходные параметры объекта проектирования при выбранной схеме и значениях проектных параметров. Иными словами, определяется, удовлетворяются ли соотношения:

Y ТТ , Y ТТ, .

Стратегия, принятия окончательного проектного решения для разных проектных процедур может быть различной, но особое место среди них занимает выработка и принятие оптимального решения. Проектное решение называют оптимальными, если они обеспечивают наивыгоднейшие в каком-то смысле свойства объектов проектирования, т.е. проектные решения отыскиваются в этом случае из условия максимума или минимума одного или нескольких компонентов векторного критерия I = K(Y).

Проектная процедура оптимизации заключается в вычислении таких значений проектных параметров, при которых критерий функционирования объекта проектирования принимает экстремальное значение.

Важно отметить, что необходимость формализации для автоматизации проектной процедуры с необходимостью приводят к созданию соответствующего проблемно-ориентированного языка со своей терминологией и символикой.

Сложность алгоритма проектирования, с одной стороны, и наличие современных технических средств обработки информации, с другой стороны, предопределяют целесообразность и возможность автоматизированного проектирования.

Возможности автоматизации велики в таких трудоемких проектных операциях как хранение и выбор исходных данных, математическое описание объектов проектирования, реализация алгоритмов поиска проектных решений, коррекция исходных данных и принятых решений по результатам испытаний, документирование, в том числе графическое, промежуточных и итоговых результатов. Без проектировщика не обойтись при целеполагании, постановке проектных задач, определении концепций о средствах достижения целей, принятии окончательных решений на стыках проектных процедур и стадий. Однако, на настоящем этапе наличие интеллектуальных систем может значительно облегчить проектировщику решение и этих задач.

Таким образом, развитые САПР, обеспечивающие высокую степень автоматизации, должны представлять проектировщику возможности использования баз развивающихся знаний в той или иной области проектирования:

формализованных описаний объектов проектирования в виде их ММ;

эффективные алгоритмы оценки точности и прогноза состояния моделей;

реализацию алгоритмов генерации вариантов и поиска оптимальных проектных решений;

информационного обеспечения процесса моделирования и принятия решений;

документирования этапов проектирования;

эффективного диалога проектировщика с системой на основе применения проблемно-ориентированных языков программирования и проектирования.

В такой среде проектировщик должен максимально типизировать и унифицировать проектные решения, разрабатывать экономичные языковые средства диалогового проектирования, определять рациональные объемы баз знаний и структуру информации в них; разрабатывать формы документирования, допускающие эффективную математическую реализацию.

Итак, для получения максимального эффекта автоматизации проектирования САПР должен удовлетворять запросы проектировщика; проектировщик обязан в полной мере учитывать специфику и реальные возможности системы.

СТРУКТУРА САПР

Система автоматизированного проектирования (САПР) определена в ГОСТ 23501.0-79 как организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования (КСАП), взаимодействующего с подразделениями проектной организации, и выполняющая автоматизированное проектирование.

Системная среда

Пользовательский интерфейс

PDM

CASE

Управление проектированием

Проектирующие подсиетмы

Проектирующие подсиетмы

Проектирующие подсистемы

Рисунок Структура ПО САПР

Как и любая сложная система САПР состоит из подсистем (см. рисунок). В САПР различают подсистемы проектирующие и обслуживающие.

Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами таких подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовление конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах.

Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой или оболочкой САПР. Такими подсистемами являются: подсистемы управления проектными данными (PDM – Product Data Management),управления процессом проектирования (DesPM – Design Process Management), пользовательского интерфейса для связи разработчиков с ЭВМ, CASE (Computer Aided Software Engineering) для разработки и сопровождения программного обеспечения САПР, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.

Средства автоматизации проектирования структурируются по видам обеспечения: математическое обеспечение, программное обеспечение, техническое обеспечение, информационное обеспечение, организационное обеспечение, методическое обеспечение.

Математическое обеспечение - это совокупность математических методов, математических моделей и алгоритмов проектирования, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Программное обеспечение - совокупность машинных программ, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Среди этой совокупности выделяются программы для организации функционирования технических средств, т.е. для планирования и управления вычислительным процессом, распределения вычислительных ресурсов между многими пользователями. Эта часть представляет общесистемное ПО. Общесистемное ПО создается для многих приложений и не отражает специфику САПР. Эта специфика находит отражение в базовом и прикладном ПО. в базовое ПО входят программы, обеспечивающие функционирование прикладных программ. В прикладном ПО реализуется математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектирования процедур. Прикладное ПО реализуется в виде ППП. Техническое обеспечение представляет совокупность технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. ТО делится на группы средств программной обработки данных, подготовки и ввода данных, отображения и документирования, архива проектируемых решений, передачи данных. Средства программной обработки данных представлены процессорами и запоминающими устройствами, в которых реализуется программная обработка данных и программное управление с вычислениями. Средства подготовки, ввода отображения и документирования данных служит для общения человека с ЭВМ. Средства проектирования решений представлены внешними запоминающими устройствами. Средства передачи данных используются для организации связей между территориально удаленными ЭВМ и терминалами (оконечными устройствами).

Информационное описание объекта проектирования реализуется при автоматизации проектирования в информационном обеспечении САПР. Информация об объектах проектирования представляется в виде документов на машинных носителях, содержащих сведения справочного характера о материалах, комплектующих изделиях, типовых проектных решениях, параметров элементов, сведения о состоянии текущих разработок в виде промежуточных и окончательных проектных решений, структур проектных объектов и т.п. Основная составная часть ИО САПР - банк данных, состоящий из БД и СУБД.

БД - сами данные, находящиеся на машинных носителях информации, т.е. в запоминающих устройствах ЭВМ и структурированные в соответствии с принятыми в БД правилами. СУБД - совокупность программных средств, обеспечивающих функционирование банка данных. С помощью СУБД производится запись данных в банк, их выборка по запросам пользоватлей и прикладных программ, обеспечивается защита данных от искажений и от несанкционированного доступа и т.п.

Лингвистическое обеспечение - совокупность языков проектирования, предназначенных для описания процессов автоматизированного проектирования и проектных решений. Это язык общения проектировщика с ЭВМ. В развитых САПР таких языков может быть несколько, причем каждый из них основывается на правилах формализации естественного языка и использует методы сжатия и развертывания текста.

Методическое обеспечение составляют документы, регламентирующие состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизированного проектирования. Допускается и более широкая трактовка понятия методического обеспечения, при котором под ним понимается совокупность математического, лингвистического обеспечения и названных документов, реализующих правила использования средств проектирования.

Организационное обеспечение включает положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений проектных организаций и взаимодействие подразделений с комплексом средств автоматизированного проектирования.