Лекция №1

 

Проектирование – процесс создания описания необходимого для построения в заданных условиях еще не существующего объекта на основе его первичного описания. Проектирование разделяют на неавтоматизированное, автоматизированное и автоматическое. Мы будем рассматривать автоматизированное, особенность которого состоит в том, что в ходе проектирования происходит постоянный диалог человека с ЭВМ в процессе создания описания объекта.

Сокращения: САПР/АСТПП/САИТ – Система Автоматизированного Проектирования/Автоматизированная Система Технологической Подготовки Производства/Система Автоматизации Инженерного Труда. На английском языке – CAD/CAM/CAE: Computer Automation Design/Computer Automation Manufacturing/ Computer Automation Engineering.

Выделяют две основные задачи в САПР:

1. Задача анализа. Связана с определением функции объекта или системы по заданному описанию и оценкой возможных проектных решений.

2. Задача синтеза. Связана с созданием самого объекта и проектной документацией.

Синтез бывает:

1. Структурный – получение структурной схемы объекта, формирование сведений о составе элементов и способах их соединения между собой.

2. Параметрический – определение числовых значений параметров элементов или систем. Синтез называют оптимизацией, если определяются наилучшие в заданном смысле структуры (структурная оптимизация) или параметры (параметрическая оптимизация). Проведение оптимизации требует задание спектра критериев оптимизации и соответствующих ограничений. Если критерий один, то скалярная оптимизация, если несколько – векторная.

Критерии бывают: 1. Частные. 2. Аддитивные. 3. Мультипликативные.  4. Минимаксные.

 Для проведения задач анализа применяют математические модели и языки моделирования (имитационное моделирование), позволяющие проводить анализ объекта в динамике (VHDL и VERILOG).

 

           Моделирование - это работа по прогнозированию характеристик жизненного цикла продукта до его производства. Характеристи­ки продукта включают затраты на его разработку, эксплуата­цию, расходные материалы (топ­ливо), продолжительность жизни продукта, ударопрочность, проч­ность, безопасность, шум, на­дежность, комфортность, про­стоту     изготовления     и обслуживания, затраты на гаран­тийный ремонт, время выведения на рынок, прибыльность и мно­гое  другое.  Моделирование выполняется при помощи про­граммного обеспечения, способ­ного прогнозировать все эти ха­рактеристики жизненного цикла продукга. Моделирование вы­полняется для прогнозирования будущего, а особенности продук­та систематически варьируются с целью улучшения характерис­тик продукта на раннем этапе разработки, при этом решения о технологическом и материаль­ном оснащении принимаются за­ранее. Моделирование помогает проектировщикам понять, какие компромиссы и решения в обла­сти проекта они должны сделать для оптимизации своей продук­ции. Моделирование сокращает и заменяет дорогостоящий дли­тельный процесс создания физи­ческих прототипов и их тестиро­вания. Моделирование может воздействовать на каждый из пунктов, обозначенных выше, приводя Вас к увеличению про­даж и сокращению затрат на разработку продукта.

Немного о жизненном цикле продукта.

Ваша продукция имеет «жизнен­ный цикл», т.е. промежуток вре­мени от определения концепции и до утилизации, как показано на упрощенной схеме жизненного цикла продукта ниже:

Идея

ß

Разработка

ß

Испытания

ß

Производство

ß

Маркетинг/Продажи

ß

Поддержка и сопровождение

ß

Утилизация

 

Моделирование может использо­ваться для сокращения времени на каждом этапе процесса и для создания правильного проекта из­делия - такого, который было бы легко воплотить в производство, легко продавать и обслуживать – в Самом начале процесса, до плани­рования основных затрат (обору­дование и материалы).

            О значении моделирования на этапе Концептуального Проектирования. 

 На этапе разработки концепции, основное решение на высшем уровне принимается исходя из рыночных потребностей в дан­ном изделии, требований функ­циональности продукта и нужд бизнеса. Моделирование на этом этапе позволяет разработчикам концепции проверить ее, чтобы убедиться, что продукт можно изготовить в соответствии с заданными требованиями и по­требительскими свойствами. Мо­делирование облегчает первоначальмую   оценку   различных концепций проекта, предостав­ляя возможность удовлетворе­ния всех требований к функцио­нальности  в  установленных рамках времени и затрат средств на выполнение работ по данному проекту.

           О значении моделирования на этапе Детального Проектирования.

На этом этапе проект в целом уже определен, включая его от­дельные узлы и компоненты с за­данными    потребительскими свойствами. Определены геомет­рия, материалы и стадии произ­водственного процесса. Модели­рование на этом этапе позволяет удостовериться, что данный про­ект реален, его можно будет выполнить и поставить на рельсы серийного производства. Весь проект может быть смоделиро­ван, от системы в целом до каж­дого отдельного компонента. На этом   этапе   моделирование выполняется инженерами-разра­ботчиками и инженерами-техно­логами, планирующими произ­водство.

            О значении моделирования на этапе Испытаний.   Это один из важных этапов в жизни проекта, т.к. он определя­ет дальнейшую судьбу изделия. Этап испытаний начинается тог­да, когда доступен образец. Большинство компаний создают несколько натурных прототипов и подвергают их тщательному те­стированию. Если эксперимен­тальные образцы не проходят ис­пытаний, проект изменяется и образец проходит новые испыта­ния, до тех пор, пока не будет по­лучен положительный результат. Такой цикл создания, испытания и устранения дефектов требует значительных временных, произ­водственных и финансовых за­трат. Моделирование может ис­пользоваться на этой стадии для уменьшения числа прототипов и физических циклов восстановле­ния и повторного испытания, пу­тем моделирование тестируемо­го образца на компьютере. Если тестируемый образец не прохо­дит модельных испытаний, по­вторное  изменение проекта очень недорого. Используя ком­пьютерное моделирование на данном этапе удается сократить затраты на разработку прототи­пов более чем на 50%, а это зна­чительная экономия времени и средств. Кроме этого, моделиро­вание может быть использовано для сокращения времени и объе­ма испытаний натурного образ­ца. Например, при помощи моделирования можно «пробе­жаться» по образцу, сообщив «данные», которые бы измеря­лись при физическом испыта­нии. Это позволяет инженерам, производящим испытание, зара­нее и более качественно опреде­лять критерии измерений и нагрузки/динамического нагру-жения, экономя время и исклю­чая «работу вслепую» как часто бывает при лабораторных иссле­дованиях.

             О значении моделирования на этапе Производства.

Всем понятно, что на этом этапе продукция изготавливается. В данном случае моделирование используется для оптимизации процессов производства с целью минимизации отходов и этапов обработки. Моделирование улуч­шает процедуру изготовления продукта и снижает затраты на гарантийный ремонт, выявляя и исключая те параметры проекта, которые могут вызвать дефекты во время процесса производст­ва. Более того, некоторые из но­вых производственных процес­сов, такие как гидроформование и суперпластическое формова­ние, требуют моделирования для идентификации параметров про­изводственного процесса, таких как температура,давление и ско­рость.

             О значении моделирования на этапе Маркетинга/Продаж.

Моделирование может исполь­зоваться не голько для разра­ботки и производства Вашей продукции. Оно также может применяться для маркетинга и продаж Вашей продукции. Мо­делирование можно использо­вать в коммерческих предложе­ниях, чтобы показать, как Ваш продукт будет выглядеть в кон­кретных условиях и какими инте­ресными свойствами он может быть интересен покупателю. Ре­зультаты моделирования могут использоваться в рекламе для придания Вашему продукту об­раза «высокотехнологичного». Ваши продажи увеличатся бла­годаря тому, что моделирование улучшает дизайн, а также саму продукцию, т.е. ее потребитель­ские свойства.

              О значении моделирования на этапе Поддержки и Сопровождения.

 В дальнейшем, после реализа­ции, Ваша продукция будет нуж­даться в поддержке, техничес­ком обслуживании, капитальном и текущем ремонте. Моделирова­ние может использоваться на этом этапе для проведения ре­монта и для модификаций изде­лия, обеспечивая корректировку проблемы, при этом одновремен­но сохраняя функциональность первоначального дизайна и на­бор полезных свойств. Задачи этого этапа очень четко просмат­риваются в аэрокосмической промышленности, где моделиро­вание применяется для продле­ния ресурса жизненного цикла изделий.

               О значении моделирования на этапе Утилизации.

 Это последний и тоже достаточ­но важный этап жизненного цик­ла изделий и технологий, осо­бенно актуальный в настоящее время. Ничто не вечно в этом ми­ре. Когда срок полезного ис­пользования изделия закончен, оно утилизируется или перера­батывается.    Моделирование здесь применяется для выбора таких производственных процес­сов и упаковочных материалов, при которых возможна эконо­мичная переработка изделия, включая различные типы матери­алов, которые были использова­ны для его изготовления. Во мно­гих отраслях промышленности число «контактирующих частей» во время производства на поря­док превышает число фактичес­ких частей в продукте. Примене­ние моделирования позволяет спланировать их повторное ис­пользование или эффективную утилизацию еще на этапе эскиз­ного проектирования самого из­делия, значительно задолго до начала его эксплуатации.

               А где же возврат инвестиций, потраченных на моделирование? Когда Вы поку­паете программное обеспечение для моделирования, включая га­рантийное обслуживание и ком­пьютеры, Ваша компания делает инвестиции. Инвестиции - это за­траты, которые, по идее, должны возвращаться. Таким образом, инвестиция дает доход (финан­совую прибыль), который по раз­меру должен обычно превосхо­дить саму инвестицию. Поэтому в первую очередь Вас будет инте­ресовать «доходность инвести­ций", существует и такой тер­мин. Давайте теперь обратимся к рассмотрению и анализу доход­ности инвестиций в моделирую­щие компьютерные технологии. Существует несколько аспектов “доходности инвестиций” при вложении средств в моделирую­щие технологии:

  • Вид инвестиции (разовая или постоянная);

  •   Валовая прибыль;

  •  Доход от инвестиции (финан­совая прибыль);

  •  Внутренняя норма прибыли.

       Срок окупаемости инвестиций.

Теперь определившись с теори­ей по вопросу о пользе компью­терного моделирования, мы гото­вы    перейти    к    сугубо практическим вопросам и посчи­тать на конкретных примерах, реальные деньги в рублях или в условных единицах, которые в виде прибыли уже получили не­которые российские предприя­тия, внедрившие и активно ис­пользующие    моделирующие компьютерные технологии.

 

Математическое моделирование объектов применяется, как правило, для расчета и выбора оптимальных параметров объекта или системы, при условии, что построение математической модели возможно, и для условий статистики. Если построение математической модели невозможно, то применяют статистические методы и методы нейро-сетевого подхода. Также для проведения задачи анализа в настоящее время получили широкое распространение СППР (Системы Поддержки Принятия Решений), СПР и экспертные системы, которые строятся на принципах искусственного интеллекта, в основе лежит продукционный подход, семантические сети и фреймы, и языки искусственного интеллекта (Prolog и Lisp). Фреймы – совокупности взаимосвязанных данных, позволяющих точно определить характер объекта. СППР и экспертные системы могут включать в себя одновременно весь спектр вышеуказанных моделей и средств.

 

Существует множество определений СППР, отражающих точки зрения представителей различных дисциплин и научных школ. Так СППР может определяться, как ''основанная на использовании моделей совокупность процедур по обработке данных и суждений, помогающих руководителю в принятии решений''.

В некоторых случаях предлагается рассматривать СППР в качестве ''интерактивных автоматизированных систем, которые помогают лицам, принимающим решения, использовать данные и модели, чтобы решать неструктуризованные проблемы''. СППР может выглядеть как ''компьютерная информационная система, используемая для поддержки различных видов деятельности при принятии решений в ситуациях, где невозможно или нежелательно иметь автоматическую систему, которая полностью выполняет весь процесс решения''. Большинство исследователей согласны, сто СППР предназначены для решения слабоструктуризованных проблем.

В процессе принятия решений возникла необходимость в субъективных, экспертных моделях, которые могут быть крайне полезны для ЛПР. Возникла также необходимость в учете знаний многих экспертов, в анализе принятых ранее решений. В структуре СППР появился блок ''база знаний'' (БЗ), и такие системы получили название ''интеллектуальных''.

Развитие технических программных средств, позволяющих ''индустриализировать'' технологию создания новых систем, привело к формированию еще одной точки зрения на СППР, которая получила название ''адаптивного проектирования''. Сторонники этого подхода считают, что термин СППР имеет право на существование только в тех случаях, когда ''конечная система'' возникает в ходе адаптивного процесса проектирования и внедрения. 

 

                Процесс принятия решений.

            ТПР, а следовательно, и СППР подразумевает под собой использование процесса, представленного на рис.1.

Рис.1.

Процесс принятия решения.

 

            Мы начинаем с некой существующей проблемы решения, с которой столкнулся человек, которому необходимо принять это решение. Наше внимание направлено на то, чтобы применить последовательность видимых шагов для внесения ясности, применительно к ситуации, когда человек, которому необходимо принять решение, смог предпринять рекомендованные действия.

            Первый шаг (постановка задачи) – формальная модель той реальной ситуации, с которой столкнется ЛПР. Мы назовем это формальное представление проблемы ''базой объективных и субъективных моделей''. В основе решения лежит процесс, направленный на выделение альтернативных подходов к решению проблемы, которые логически согласуются с базой знаний (БЗ) и отсюда рекомендуются для дальнейшего анализа. Затем нам предстоит усовершенствовать оценку анализов с тем, чтобы достичь интуиции, почему предложенный альтернативный подход не только является логически правильным, но и выглядит убедительным, что человек будет действовать в полном соответствии с ним. Оценка может содержать некоторые варианты анализов с тем, что оценка действительно соответствует содержанию проблемы. В какой-то момент, оценка покажет, что предложенный альтернативный подход настолько верен, что для ЛПР нет смысла продолжать анализ.

            Целью процесса является синтез основы решения. Рисунок 2 более детально демонстрирует роль ''базы объективных и субъективных моделей''. Основа включает в себя три части: альтернативный подход, который выбрал ЛПР; доступная информация и предпочтения, отдаваемые ЛПР.

Рис.2.

Выявление и оценка БД.

Концептуальные модели.

            Анализ существующих точек зрения на специфические отличия СППР от других типов автоматизированных систем в системах проектирования позволяет выделить в качестве оснований классификации СППР следующие наиболее существенные признаки:

концептуальные модели;

решаемые задачи;

обеспечивающие средства;

области применения.

В рамках информационного подхода СППР в промышленных САПР и САИТ относят к классу автоматизированных информационных систем, основное назначение которых – улучшить деятельность работников умственного труда в организациях путем применения информационной технологии.

Рис.3.

Концептуальная модель СППР (информационный подход).

            Важной особенностью СППР в промышленных САПР и САИТ является их способность формировать модели для принятия решений. Предполагается, что в БМ следует встраивать не локальные модели, а модели объединенные с БД. Процедуры моделирования должны обеспечивать гибкость построения моделей и легкость управления ими, а система управления – возможность обслуживать широкий спектр моделей, быстро и легко создавать новые модели, управлять БД с помощью функций управления.

            Отличительной особенностью СППР в промышленных САПР  и САИТ, которые основаны на знаниях, является, по мнению их создателей, явное выделение отсутствовавшего  ранее аспекта поддержки решений: способности к ''пониманию'' проблемы, извлечь информацию и подготовить ответ. Степень участия программных средств человеко-машинной системы в этом процессе предлагается рассматривать в качестве грубой меры ИИ СППР.

 

Рис.4.

КП СППР (подход, основанный на знаниях).

            Возросшее внимание к методам разработки и внедрения СППР в промышленных САПР и САИТ обусловило появление инструментального подхода в концептуальных моделях СППР.

            Можно выделить три условия систем:

Специализированные САПР (работают конечные пользователи; поддержка решения отдельных прикладных программ (задач) в конкретных ситуациях);

СППР-генераторы (пакеты связанных программных средств поиска и выдачи данных);

СППР-''инструментарий'' (высший уровень технологичности – языки, совершенные ОС, средства ВВ и прочее).

 

Виды обеспечения САПР

 

1. Математическое обеспечение (МО) – совокупность математических методов, моделей и алгоритмов проектирования, представленных в заданной форме.

2. Техническое обеспечение (ТО) – совокупность связанных и взаимодействующих технических средств (средств вычислительной техники).

3. Программное обеспечение (ПО) – совокупность машинных программ, необходимых для осуществления процесса проектирования, включающее системное и прикладное ПО.

4. Информационное обеспечение (ИО) – совокупность сведений, необходимых для выполнения проектирования. Включает СУБД (Система Управления Базами Данных), саму базу данных и базу знаний.

5. Лингвистическое обеспечение (ЛО) – совокупность языков проектирования, включая термины, определения, правила формализации естественного языка, методы сжатия и развертывания текстов.

6. Методическое обеспечение (МТО) – совокупность документов, устанавливающих состав, правила отбора и эксплуатации средств обеспечения системы.

7. Организационное обеспечение (ОО) – совокупность документов, определяющих состав проектной организации, связь между подразделениями, а также форму представления результатов проектирования и порядок рассмотрения проектных документов.

Классификация САПР

САПР классифицируют по:

- разновидности и сложности объектов проектирования:

а) САПР низкосложных объектов (количество составных частей до 100);

б) САПР среднесложных объектов (100-10 000);

в) САПР высокосложных объектов (выше 10 000).

- уровню автоматизации:

а) низкоавтоматизированные (до 25% проектных процедур автоматизировано);

б) среднеавтоматизированные (25%-50%);

в) высокоавтоматизированные (50%-75%).

- уровню комплексности:

            а) одноэтапные (один этап проектирования);

б) многоэтапные (несколько этапов);

в) комплексные (весь процесс создания изделия).

- характеру и числу выпускаемых проектом документов:

а) САПР низкой производительности (100-10 000 проектных документов в пересчете на формат А4 за год);

б) САПР средней производительности (10 000- 100 000);

в) САПР высокой производительности (100 000 и выше).

По ГОСТу информация должна храниться  как в твердом виде (на бумаге) так и на магнитном носителе (магнитная лента); срок хранения – 50 лет.

- числу уровней технического обеспечения:

а) одноуровневый (на основе ЭВМ среднего и высокого класса со штатным периферийным оборудованием);

б) двухуровневый (на основе ЭВМ среднего и высокого класса, в качестве интеллектуальных терминалов – персональные ЭВМ);

в) комплексный (на основе ЭВМ среднего и высокого класса, объединенных в сеть и каждая из ЭВМ имеет сеть интеллектуальных терминалов на основе персональных ЭВМ).