Лекция № 9 системы автоматизированног проектирования

9.1. Сапр в инженерном деле

В течение нескольких последних лет и в отечественной и в зарубежной литературе аббревиатура АСУ (автоматизированные системы управления) все чаще уступает место аббревиатурам САПР (системы автоматизированного проектирования) или CAD. Буквы ПР относятся к слову «проектирование», так же как и английское слово design означает «проектирование».

Однако перед тем, как выяснять, что такое система автоматизированного проектирования (САПР или CAD), необходимо разобраться с термином «автоматизированное проектирование»..

В настоящее время под этим понимается некоторые формализованные процедуры функционального, топологического, геометрического машинного моделирования, позволяющий, в некотором допустимом множестве решений, выбрать оптимальный в каком-то смысле вариант. Поскольку процесс проектирования протекает в интерактивном режиме, где решающее слово по выбору варианта принадлежит человеку, процесс носит интеллектуальный характер. Этот этап следует отличать от этапа разработки управляющих программ для последующего изготовления деталей на станках с программным управлением. Недаром, за рубежом делают такое различие и пишут CAD/CAM, т. е. «проектирование и изготовление с помощью компьютеров».

Различают два подхода к решению проектных задач, которые определяются сложностью решаемой задачи и проектируемого объекта. Первый подход («традиционный») характерен для не слишком сложных объектов, имеющих достаточно близкие прототипы. При этом предполагается наличие четко заданных требований к проекту (техническое задание), стандартных методик проектирования, а также сравнительно небольшие сроки и объемы работ. Методология проектных работ этого типа (первый класс задач) спонтанно складывалась по мере развития техники, многократно апробировалась на опыте, фиксировалась в соответствующих документах и, таким образом, превращалась в обязательные для всех требования. Именно такого рода проектирование имеют в виду многочисленные конкретные курсы, входящие в состав вузовских научно-технических дисциплин. Именно такие, по сути дела, рецептурные, проектные навыки получают специалисты, оканчивающие сегодня высшие технические учебные заведения.

Второй класс задач связан с созданием сложных и весьма сложных объектов, которые включают в себя компоненты различной природы и часто обладают иерархической структурой. Для проведения таких работ употребляется термин «системное проектирование».

Оказывается, что проектирование объектов так называемого системного уровня сложности — будь то самолет, новый технологический процесс или уникальный агрегат — характеризуется рядом общих черт, которые практически не зависят от особенностей того или иного объекта. К этим чертам относятся следующие: невозможность априори (заранее) сформулировать точные характеристики объекта из-за его сложности и отсутствия прототипов; наличие в проектируемом объекте элементов различной физической природы, что делает необходимым привлечение к работе над проектом различных специалистов, а также системных проектировщиков широкого профиля («дженералистов»); необходимость выполнения большого объема научно-исследовательских работ перед тем, как сформулировать окончательное требование к объекту; совокупность проектных работ сама по себе образует сложную систему, функционирование которой должно быть соответственным образом организовано; большая стоимость работ, что резко увеличивает цену ошибок. Очевидно, что при таком системном проектировании решающее значение приобретает методическое обеспечение работ и возникают новые требования к знаниям и навыкам проектировщиков. Необходимой, а может быть и главной фигурой при разработке таких проектов становится специалист широкого профиля.

Нужно сказать, что два класса рассмотренных задач как бы ограничивают ту ось, на которой находится много других задач проектирования, тяготеющих больше или меньше к одному из двух классов задач.

В книге А. И. Половинкина “Автоматизация поискового конструирования” приведена таблица, показывающая тенденцию роста числа технических систем и их слож­ности.

Там же приведены такие данные: число различных классов технических систем удваивается в среднем через каждые 10 лет; сложность изделий по числу дета­лей возрастает вдвое через каждые 15 лет; время созда­ния новых изделий уменьшается в два раза через каж­дые 25 лет.

Возрастание числа технических систем и их сложности

Время	Примерное число Классов технических систем («галактик»)	Среднее число различных элементов в наиболее сложных технически системах
100000 лет назад 10000 –«- 1 000 –«- Настоящее	5 50 1000 50000	1 10 100 10000

Эти данные свидетельствуют о том, что системное проектирование должно стать основным и включать типовое проектирование как один из своих элементов.

Однако, несмотря на существенные различия в ха­рактере организации работ и применяемых методах, два рассмотренных класса проектных задач (так же, как и все промежуточные классы) в определенном смысле близки друг к другу: сущность и смысл любого процесса проектирования заключается в создании модели объекта, который еще не реализован материально. По существу, проектирование представляет собой целенаправленный поиск оптимального или хотя бы приемлемого решения поставленной задачи на основе после­довательных модельных приближений, или итераций. Такой процесс в принципе аналогичен построению модели вообще.

В книге Дж. Диксона «Проектирование систем» процесс инженерного проектирования сведен к трем стадиям: изобретательству, инженерному анализу и принятию решений: «Инженерное проектирование по существу не является искусством, оно скорее представляет собой такую деятельность, которую можно исследовать и анализировать, а основами ее овладеть в процессе обучения». Замечательно еще одно высказывание Дж. Диксона: «При чтении этих курсов (имеется в виду „инженерное проектирование») я все более и более убеждался в том, что мои студенты знают больше того, что они понимают или могут использовать на практике. Я поставил перед собой задачу помочь им научиться целеустремленно использовать те знания, которые они приобрели при изучении теоретических и технических дисциплин. У меня почти не вызывает сомнений тот факт, что существующая в настоящее время система обучения тормозит развитие у студентов способностей применять на практике то, чем они уже овладели. Чтобы применять знания, нужно активно владеть ими и, кроме того, иметь определенную цель».

Коснемся вопросов автоматизации проектирования, так как этому направлению в последние годы уделяется большое внимание. Термины «автоматизация про­ектирования», и особенно САПР, понимаются совершенно по-разному. Это связано, очевидно, со смыслом, вкладываемым разными людьми в термин «проектирование», о чем уже говорилось выше. Академик H. H. Моисеев считает, что наиболее правильно понимать термин «автоматизация проектирования» как новую технологию проектирования, основанную на идеях и методах системного анализа. Другими словами, речь идет о создании автоматизированного системного проектирования. Особенность этой технологии — широкое использование современных способов обработки информации и представления ее в таком виде, который позволил бы проектировщику до конца использовать свои творческие возможности.

Следует сказать и о том, что постепенно автоматиза­ция проектирования стала одной из областей наиболее эффективного использования вычислительной техники и методов междисциплинарных исследований процессов различной физической природы. Попытки преодолеть трудности отдельных операций проектирования, например внедрением чертежных автоматов (графопостроителей, плоттеров) или широким использованием ЭВМ для проведения инженерных расчетов, не смогли внести существенных изменений в качество проектов, хотя именно эти попытки многие принимают за САПР.

Когда это поняли, стали создавать системы автома­тизированного (но не автоматического) проектирования (САПР). Эти системы сразу были задуманы как вспомо­гательное средство, а не как замена проектировщика. Они должны по замыслу быть центрами коллективного пользования банков данных и программ и давать воз­можность решать проектировщику задачи анализа и синтеза в режиме диалога.

Сердцем и мозгом таких систем являются системы моделей, имитационные системы, которые будут для проектируемого объекта неким испытательным полигоном, но реализованным на ЭВМ. Современные САПР должны содержать системы банков данных, большое число программ, банки моделей и т.п. Все это требует целенаправленной деятельности больших коллективов квалифицированных специалистов в различных областях знаний. Создание таких САПР — это как раз одна из задач уровня системного проектирования, о котором мы говорили. Эффективность САПР зависит в значительной степени и от современной методологии проектирования, которая интенсивно разрабатывается в настоящее время. Без создания новой технологии проектирования принципиальных изменений в процессе проектирования не будет.

По-видимому, на сегодняшний день работы по ис­пользованию ЭВМ в проектировании инструмента и технологии наиболее интенсивно ведутся для процес­сов обработки металлов давлением, однако комплексной САПР такого типа, о котором говорилось выше, пока в машиностроении не создано.