Общая структура технического обеспечения сапр. Глава III. Техническое обеспечение сапр

Техническое обеспечение САПР

С точки зрения системной модели САПР, техническое обеспечение представляет собой самый нижний уровень, в который “погружается” и реализуется операционно-программное и другие виды обеспечений САПР.

Задача проектирования технического обеспечения, таким образом, может быть сформулирована как задача оптимального выбора состава технических средств САПР. Исходной информацией при этом являются результаты анализа задач внутреннего проектирования и ресурсные требования к техническим средствам в виде критериев и ограничений.

Основные требования к техническим средствам САПР состоят в следующем:

· эффективность;

· универсальность;

· совместимость;

· надежность.

Технические средства (ТС ) в САПР решают задачи:

· ввода исходных данных описания объекта проектирования;

· отображения введенной информации с целью ее контроля и редактирования;

· преобразования информации (изменения формы и структуры представления данных, перекодировки и др.);

· хранения информации;

· отображения итоговых и промежуточных результатов решения;

· оперативного общения проектировщика с системой в процессе решения задач.

Для решения этих задач ТС должны содержать:

· процессоры,

· оперативную память,

· внешние запоминающие устройства,

· устройства ввода- вывода информации,

· технические средства машинной графики,

· устройства оперативного общения человека с ЭВМ,

· устройства, обеспечивающие связь ЭВМ с удаленными терминалами и другими машинами.

При необходимости создания непосредственной связи САПР с производственным оборудованием в состав ТС должны быть включены устройства, преобразующие результаты проектирования в сигналы управления станками.

ТС САПР могут одно- и многоуровневыми.

ТС, в состав которых входит одна ЭВМ, оснащенная широким набором периферийного оборудования, носят название одноуровневых. Они широко применяются при проектировании изделий общепромышленного применения с установившейся конструкцией, имеющих узкоспециализированные математические модели и фиксированную последовательность этапов проектно- технологических работ.

Развитие САПР предполагает расширение набора терминальных устройств, представление каждому проектировщику возможности взаимодействия с ЭВМ, обработку технической информации непосредственно на рабочих местах. С этой целью терминальные устройства снабжаются мини - и микроЭВМ, имеющими специальное математическое обеспечение интеллектуальные терминалы. Они соединяются с ЭВМ высокой производительностью с помощью специальных или обычных телефонных каналов.

Для использования информации отдельных ЭВМ распределенных на относительно большой территории особый эффект дает применение вычислительных сетей.

Отличительные признаки вычислительной сети состоят в следующем:

· большое число взаимодействующих друг с другом вычислительных машин, выполняющих функции сбора, хранения, передачи, обработки и выдачи информации;

· чрезвычайно большие вычислительные мощности;

· распределенная обработка информации;

· надежная и гибкая связь пользователя с вычислительными мощностями;

· возможность взаимного обмена информацией между вычислительными машинами;

· расширение до любой мощности и протяженности.

Лекция 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР

Общие положения

Математическое обеспечение (МО) объединяет в себе математические модели проектируемых объектов, методы и алгоритмы выполнения проектных процедур , используемые при автоматизированном проектировании.

Техническое обеспечение САПР включает в себя различные технические средства (hardware), используемые для выполнения автоматизированного проектирования, а именно ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование, а также оборудование некоторых вспомогательных систем (например, измерительных), поддерживающих проектирование.

Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:

1. выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее ПО;

2. взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы;

3. взаимодействие между членами коллектива, выполняющими работу над общим проектом.

Первое из этих требований выполняется при наличии в САПР вычислительных машин и систем с достаточными производительностью и емкостью памяти.

Второе требование относится к пользовательскому интерфейсу и выполняется за счет включения в САПР удобных средств ввода-вывода данных и прежде всего устройств обмена графической информацией.

Третье требование обусловливает объединение аппаратных средств САПР в вычислительную сеть. В результате общая структура ТО САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных (рис.3). Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими местами (АРМ) или рабочими станцими (WS - Workstation), ими могут быть также большие ЭВМ (мейнфреймы), отдельные периферийные и измерительные устройства. Именно в АРМ должны быть средства для интерфейса проектировщика с ЭВМ. Что касается вычислительной мощности, то она может быть распределена между различными узлами вычислительной сети.

Рис. 3 Структура технического обеспечения САПР

Среда передачи данных представлена каналами передачи данных, состоящими из линий связи и коммутационного оборудования.

В каждом узле можно выделить оконечное оборудование данных (ООД), выполняющее определенную работу по проектированию, и аппаратуру окончания канала данных (АКД), предназначенную для связи ООД со средой передачи данных. Например, в качестве ООД можно рассматривать персональный компьютер, а в качестве АКД - вставляемую в компьютер сетевую плату.

Канал передачи данных - средство двустороннего обмена данными, включающее в себя АКД и линию связи. Линией связиназывают часть физической среды, используемую для распространения сигналов в определенном направлении, примерами линий связи могут служить коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС). Близким является понятие канала (канала связи), под которым понимают средство односторонней передачи данных. Примером канала связи может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами.

В САПР небольших проектных организаций, насчитывающих не более единиц-десятков компьютеров, которые размещены на малых расстояниях один от другого (например, в одной или нескольких соседних комнатах) объединяющая компьютеры сеть является локальной. Локальная вычислительная сеть (ЛВС или LAN - Local Area Network) имеет линию связи, к которой подключаются все узлы сети. При этом топология соединений узлов (рис. 4) может быть шинная (bus), кольцевая (ring), звездная (star). Протяженность линии и число подключаемых узлов в ЛВС ограничены.

Рис. 4 Варианты топологии локальных вычислительных сетей:

а) шинная; б) кольцевая; в) звездная

В более крупных по масштабам проектных организациях в сеть включены десятки-сотни и более компьютеров, относящихся к разным проектным и управленческим подразделениям и размещенных в помещениях одного или нескольких зданий. Такую сеть называют корпоративной. В ее структуре можно выделить ряд ЛВС, называемых подсетями, и средства связи ЛВС между собой. В эти средства входят коммутационные серверы (блоки взаимодействия подсетей). Если коммутационные серверы объединены отделенными от ЛВС подразделений каналами передачи данных, то они образуют новую подсеть, называемую опорной (или транспортной), а вся сеть оказывается иерархической структуры.

Если здания проектной организации удалены друг от друга на значительные расстояния (вплоть до их расположения в разных городах), то корпоративная сеть по своим масштабам становится территориальной сетью (WAN - Wide Area Network). В территориальной сети различают магистральные каналы передачи данных (магистральную сеть), имеющие значительную протяженность, и каналы передачи данных, связывающие ЛВС (или совокупность ЛВС отдельного здания или кампуса) с магистральной сетью и называемые абонентской линией или соединением «последней мили».

Обычно создание выделенной магистральной сети, т.е. сети, обслуживающей единственную организацию, обходится для нее слишком дорого. Поэтому чаще прибегают к услугам провайдера, т.е. организации, предоставляющей телекоммуникационные услуги многим пользователям. В этом случае внутри корпоративной сети связь на значительных расстояниях осуществляется через магистральную сеть общего пользования. В качестве такой сети можно использовать, например, городскую или междугородную телефонную сеть или территориальные сети передачи данных. Наиболее распространенной формой доступа к этим сетям в настоящее время является обращение к глобальной вычислительной сети Internet.

Для многих корпоративных сетей возможность выхода в Internet является желательной не только для обеспечения взаимосвязи удаленных сотрудников собственной организации, но и для получения других информационных услуг. Развитие виртуальных предприятий, работающих на основе CALS-технологий, с необходимостью подразумевает информационные обмены через территориальные сети, как правило, через Internet.

В качестве средств обработки данных в современных САПР широко используют рабочие станции, серверы, персональные компьютеры. Большие ЭВМ и в том числе суперЭВМ обычно не применяют, так как они дороги и их отношение производительность/цена существенно ниже подобного показателя серверов и многих рабочих станций.

На базе рабочих станций или персональных компьютеров создают АРМ. Типичный состав устройств АРМ: ЭВМ с одним или несколькими микропроцессорами, оперативной и кэш-памятью и шинами, служащими для взаимной связи устройств; устройства ввода-вывода, включающие в себя, как минимум, клавиатуру, мышь, дисплей; дополнительно в состав АРМ могут входить принтер, сканер, плоттер (графопостроитель), дигитайзер и некоторые другие периферийные устройства.

Память ЭВМ обычно имеет иерархическую структуру. Поскольку в памяти большого объема трудно добиться одновременно высокой скорости записи и считывания данных, память делят на сверхбыстродействующую кэш-память малой емкости, основную оперативную память умеренного объема и сравнительно медленную внешнюю память большой емкости, причем, в свою очередь, кэш-память часто разделяют на кэш первого и второго уровней.

Для связи наиболее быстродействующих устройств (процессора, оперативной и кэш-памяти, видеокарты) используется системная шина с пропускной способностью до одного-двух Гбайт/с. Кроме системной шины на материнской плате компьютера имеются шина расширения для подключения сетевого контроллера и быстрых внешних устройств (например, шина PCI с пропускной способностью 133 Мбайт/с) и шина медленных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер и т.п.

Рабочие станции (workstation) по сравнению с персональными компьютерами представляют собой вычислительную систему, специализированную на выполнение определенных функций. Специализация обеспечивается как набором программ, так и аппаратно за счет использования дополнительных специализированных процессоров. Так, в САПР для машиностроения преимущественно применяют графические рабочие станции для выполнения процедур геометрического моделирования и машинной графики. Эта направленность требует мощного процессора, высокоскоростной шины, памяти достаточно большой емкости.

Высокая производительность процессора необходима по той причине, что графические операции (например, перемещения изображений, их повороты, удаление скрытых линий и др.) часто выполняются по отношению ко всем элементам изображения. Такими элементами в трехмерной 3D-графике при аппроксимации поверхностей полигональными сетками являются многоугольники, их число может превышать 104. С другой стороны, для удобства работы проектировщика в интерактивном режиме задержка при выполнении команд указанных выше операций не должна превышать нескольких секунд. Но поскольку каждая такая операция по отношению к каждому многоугольнику реализуется большим числом машинных команд требуемое быстродействие составляет десятки миллионов машинных операций в секунду. Такое быстродействие при приемлемой цене достигается применением наряду с основным универсальным процессором также дополнительных специализированных (графических) процессоров, в которых определенные графические операции реализуются аппаратно. В наиболее мощных рабочих станциях в качестве основных обычно используют высоко производительные микропроцессоры с сокращенной системой команд (с RISC-архитектурой), работающие под управлением одной из разновидностей операционной системы Unix. В менее мощных все чаще используют технологию Wintel (т.е. микропроцессоры Intel и операционные системы Windows). Графические процессоры выполняют такие операции, как, например, растеризация - представление изображения в растровой форме для ее визуализации, перемещение, вращение, масштабирование, удаление скрытых линий и т.п.

Типичные характеристики рабочих станций: несколько процессоров, десятки-сотни мегабайт оперативной и тысячи мегабайт внешней памяти, наличие кэш-памяти, системная шина со скоростями от сотен Мбайт/с до 1-2 Гбайт/с.

В зависимости от назначения существуют АРМ конструктора, АРМ технолога, АРМ руководителя проекта и т.п. Они могут различаться составом периферийных устройств, характеристиками ЭВМ.

Контрольные вопросы

1. Что должны обеспечивать технические средства САПР?

2. Что называют каналом передачи данных?

3. Какие различают варианты топологии локальных вычислительных сетей?

4. В чём отличие локальной сети от территориальной?

5. Чём обуславливается задача увеличения производительности процессора?

На многих современных предприятиях используются проектирования, или САПР. Существует большое количество поставщиков подобных решений. Функции и возможности данных систем проектирования, в частности представленных специализированным ПО соответствующего назначения, могут быть самыми разными. В чем заключается сущность САПР? Каковы нюансы разработки данных систем?

Что представляют собой системы автоматизированного проектирования?

САПР — это автоматизированные системы, которые призваны реализовывать ту или иную осуществления проектирования. На практике они представляют собой технические системы, позволяющие, таким образом, автоматизировать, обеспечить независимое от человека функционирование процессов, составляющих разработку проектов. В зависимости от контекста под САПР может пониматься:

Программное обеспечение, используемое в качестве основного элемента соответствующей инфраструктуры;

Совокупность кадровых и технических систем (включая те, что предполагают задействование САПР в виде ПО), применяемых предприятием в целях автоматизации разработки проектов.

Таким образом, можно выделить более широкую и узкую трактовку термина, о котором идет речь. Сложно сказать, какая из них применяется в бизнесе чаще, все зависит от конкретной сферы использования САПР, тех задач, которые призваны решать данные системы. К примеру, в контексте отдельно взятого производственного цеха под САПР, вероятно, будет пониматься конкретная программа для автоматизированного проектирования. Если речь идет о стратегическом планировании развития предприятия, данное понятие будет, вероятно, соответствовать более масштабной инфраструктуре, задействуемой в целях повышения эффективности разработки различных проектов.

Стоит отметить, что САПР — это аббревиатура, которая и расшифровываться может по-разному. В общем случае она соответствует словосочетанию «система автоматизированного проектирования». Вместе с тем есть и другие варианты расшифровки соответствующей аббревиатуры. Например, она может звучать как «система автоматизации проектных работ».

В английском языке российскому термину САПР по смыслу соответствует аббревиатура CAD, в некоторых случаях — CAX. Рассмотрим более подробно, в каких целях могут создаваться системы автоматизированного проектирования в машиностроении и иных сферах.

Цели создания САПР

Главная цель разработки САПР — повышение эффективности труда специалистов предприятия, решающих различные производственные задачи. В частности, связанные с инженерным проектированием. Повышение эффективности в данном случае может осуществляться за счет:

Снижения трудоемкости процесса проектирования на производстве;

Сокращения сроков реализации проектов;

Снижения себестоимости проектных работ, а также издержек, связанных с эксплуатацией;

Обеспечения повышения качества инфраструктуры проектирования;

Снижения издержек на моделирование, а также проведение испытаний.

САПР — это инструмент, позволяющий добиться отмеченных преимуществ за счет:

Автоматизации документации;

Рассмотрим теперь, в какой структуре может быть представлена САПР.

Структура САПР

Система автоматизированного проектирования технологических процессов, к примеру, может включать следующие компоненты:

Комплекс элементов автоматизации;

Программно-техническую инфраструктуру;

Методические инструменты;

Элементы поддержки функциональности САПР.

Распространен подход, в соответствии с которым в структуре САПР следует выделять различные подсистемы. Ключевыми принято считать:

Обслуживающие подсистемы, которые поддерживают функционирование основных проектирующих компонентов САПР, инфраструктуры, отвечающей за обработку данных, поддержание ПО;

Проектирующие подсистемы, которые в зависимости от соотнесения с объектом разработки могут быть представлены с объектными задачами или же инвариантными, то есть связанные с реализацией конкретных проектов или же с совокупностью нескольких.

САПР — это системы, которые включают в себя определенные функциональные компоненты. Рассмотрим их особенности.

Компоненты САПР

Автоматизированное проектирование систем управления и промышленной инфраструктуры, как мы уже знаем, состоит из различных подсистем. В свою очередь, их составляющими являются компоненты, которые обеспечивают функционирование соответствующих элементов САПР. Например, это может быть та или иная программа, файл, аппаратное обеспечение. Компоненты, обладающие общими признаками, формируют средства обеспечения систем проектирования. Таковые могут быть представлены следующими основными разновидностями:

Системы, применяемые в целях разработки различных чертежей;

САПР, созданные для геометрического моделирования;

Системы, предназначенные для автоматизации расчетов в рамках инженерных проектов, а также динамического моделирования;

САПР, предназначенные для осуществления компьютерного анализа различных параметров по проектам;

Средства автоматизации, используемые в целях технологической оптимизации проектов;

САПР, используемые в целях автоматизации планирования.

Стоит отметить, что данную классификацию следует считать условной.

Автоматизированная система технологического проектирования может включать в себя самый широкий спектр функций из числа тех, что перечислены выше, и не только. Конкретный перечень возможностей САПР определяет прежде всего разработчик соответствующей системы. Рассмотрим, какие в принципе задачи он может решать.

Разработка САПР

Проектирование автоматизированных систем обработки информации, управления, программирования и реализации иных функций, направленных на повышение эффективности разработки проектов в тех или иных отраслях, — процесс, который характеризуется высоким уровнем сложности и требует от его участников осуществления вложения значительных ресурсов — трудовых, финансовых. Эксперты выделяют несколько основных принципов, в соответствии с которыми может вестись разработка САПР. В числе таковых:

Унификация;

Комплексность;

Открытость;

Интерактивность.

Рассмотрим их подробнее.

Унификация как принцип разработки САПР

Работа с системами автоматизированного проектирования как на стадии их разработки, так и в период пользования соответствующей инфраструктурой предполагает следование принципу унификации, в соответствии с которым, те или иные решения могут одинаково эффективно и по схожим алгоритмам внедряться в различных отраслях производства. Данный принцип предполагает, что человек, использующий знакомый ему модуль САПР или, к примеру, методику автоматизированного проектирования в одной среде, без труда сможет адаптировать их к специфике применения в иных условиях.

Унификация САПР имеет значение и с точки зрения развития предприятия - разработчика соответствующей системы: чем более универсальными будут модули и подходы, которые данный хозяйствующий субъект предлагает рынку, тем более интенсивным может быть его рост, тем выше конкурентоспособность и готовность новых потребителей к сотрудничеству.

Комплексность как принцип разработки САПР

Следующий принцип, который характеризует процесс проектирования автоматизированных систем, — комплексность. Он предполагает, что производитель САПР сможет наделить свой продукт компонентами, которые позволят его пользователю решать поставленные задачи на самых разных уровнях реализации проекта. Данный аспект, возможно, является ключевым с точки зрения обеспечения конкурентоспособности продукта и освоения им новых рынков. Но при этом следует иметь в виду, что даже самые комплексные решения должны удовлетворять иным ключевым принципам разработки САПР. В числе таковых — открытость.

Открытость как принцип разработки САПР

Открытость в данном контексте может пониматься по-разному, но во всех случаях ее интерпретация будет уместной. Разработка системы автоматизированного проектирования — процесс, который должен прежде всего характеризоваться открытостью с точки зрения формирования обратной связи между производителем САПР и ее пользователями. Человек, задействующий соответствующую систему, должен иметь возможность информировать ее разработчика о выявленных проблемах, особенностях функционирования САПР в различных условиях, передавать бренду-производителю свои пожелания касательно улучшения продукта.

Открытость в разработке САПР также может выражаться в готовности производителя осуществлять активный мониторинг технологических разработок, в том числе от конкурирующих производителей, отслеживать различные тренды. В данном случае ведущую роль в бизнесе могут играть не только технологические подразделения, но, к примеру, маркетологи компании, специалисты по PR, менеджеры, отвечающие за переговоры фирмы с партнерами.

Открытость при разработке САПР — это также готовность разработчика соответствующей системы к прямому диалогу с другими поставщиками, которые опять же могут быть его прямыми конкурентами. Обмен технологиями, позволяющими создавать продукты, посредством которых может быть осуществлено эффективное автоматизированное проектирование систем управления, промышленной инфраструктуры, инженерных разработок, также является значимым фактором повышения конкурентоспособности бренда, поставляющего САПР в тех или иных сегментах рынка.

Интерактивность как принцип разработки САПР

Следующий важнейший принцип создания САПР — интерактивность. Он предполагает прежде всего создание разработчиком соответствующих систем интерфейсов, максимально облегчающих процедуру их задействования человеком, а также осуществления им необходимых коммуникаций с другими пользователями САПР.

Еще один аспект интерактивности — обеспечение в необходимых случаях взаимодействия между различными модулями систем автоматизированного проектирования в рамках формирования производственной инфраструктуры.

Можно отметить, что принцип интерактивности тесно связан с первым — унификацией. Дело в том, что обмен данными в рамках тех или иных интерактивных процедур наиболее эффективным будет при условии необходимой стандартизации взаимодействия между теми или иными субъктами. Это может выражаться в унификации файловых форматов, документов, процедур, языка, инженерных подходов при разработке тех или иных проектов.

Особенно большое значение рассматриваемый принцип играет в САПР, посредством которых осуществляется автоматизированное проектирование информационных систем. Данная сфера применения САПР характеризуется, в частности, высокой степенью потребности пользователей соответствующей инфраструктуры:

В регулярном, динамичном взаимодействии между собой;

Обеспечении связей между большим количеством модулей САПР;

Осуществлении оптимизации различных интерактивных процедур;

Оперативном формировании отчетности.

Только при условии достаточной интерактивности систем автоматизированного проектирования пользователи вправе рассчитывать на эффективное решение подобных производственных задач.

Материал из ПИЭ.Wiki

Система автоматизированного проектирования (САПР) - это организационно-техническая система, состоящая из совокупности комплекса средств автоматизации проектирования и коллектива специалистов подразделений проектной организации, выполняющая автоматизированное проектирование объекта, которое является результатом деятельности проектной организации.

Введение в САПР

Автоматизация проектирования занимает особое место среди информационных технологий. Во первых, автоматизация проектирования - синтетическая дисциплина, ее составными частями являются многие другие современные информационные технологии. Так, техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные компьютеры и рабочие станции.

Математическое обеспечение САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта. Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных программных систем, основанных на операционных системах Unix, Windows 95/NT, языках программирования. С, С++, Java и других, современных CASE технологиях, реляционных и объектно-ориентированных системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и обмена данными в компьютерных средах.

Во вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически любому инженеру разработчику. Компьютерами насыщены проектные подразделения, конструкторские бюро и офисы. Работа конструктора за обычным кульманом, расчеты с помощью логарифмической линейки или оформление отчета на пишущей машинке стали анахронизмом. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использования, оказываются неконкурентоспособными как из за больших материальных и временных затрат на проектирование, так и из за невысокого качества проектов. Появление первых программ для автоматизации проектирования за рубежом и в СССР относится к началу 60 х гг. Тогда были созданы программы для решения задач строительной механики, анализа электронных схем, проектирования печатных плат.

Дальнейшее развитие САПР шло по пути создания аппаратных и программных средств машинной графики, повышения вычислительной эффективности программ моделирования и анализа, расширения областей применения САПР, упрощения пользовательского интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта.

К настоящему времени создано большое число программно методических комплексов для САПР с различными степенью специализации и прикладной ориентацией. В результате автоматизация проектирования стала необходимой составной частью подготовки инженеров разных специальностей; инженер, не владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может считаться полноценным специалистом.

Подготовка инженеров разных специальностей в области САПР включает базовую и специальную компоненты. Наиболее общие положения, модели и методики автоматизированного проектирования входят в программу курса, посвященного основам САПР, более детальное изучение тех методов и программ, которые специфичны для конкретных специальностей, предусматривается в профильных дисциплинах.

Основные принципы построения САПР

Разработка САПР представляет собой крупную научно-техническую проблему, а ее внедрение требует значительных капиталовложений. Накопленный опыт позволяет выделить следующие основные принципы построения САПР.

1. САПР - человеко-машинная система. Все созданные и создаваемые системы проектирования с помощью ЭВМ являются автоматизированными, важную роль в них играет человек - инженер, разрабатывающий проект технического средства.

В настоящее время и по крайней мере в ближайшие годы создание систем автоматического проектирования не предвидится, и ничто не угрожает монополии человека при принятии узловых решении в процессе проектирования. Человек в САПР должен решать, во-первых, все задачи, которые не формализованы, во-вторых, задачи, решение которых человек осуществляет на основе своих эвристических способностей более эффективно, чем современная ЭВМ на основе своих вычислительных возможностей. Тесное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирования - один из принципов построения и эксплуатации САПР.

2. САПР - иерархическая система, реализующая 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 лишь на одном из уровней оказывается значительно менее эффективной, чем полная автоматизация всех уровней. 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.

3. САПР - совокупность информационно-согласованных подсистем. 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 с участием человека, который добавляет недостающие параметры, вручную перекомпоновывает массив или изменяет числовые значения отдельных параметров, то программы информационно не согласованы. Ручная перекомпоновка массива ведет к существенным временным задержкам, росту числа ошибок и поэтому уменьшает спрос на услуги САПР. Информационная несогласованность превращает САПР в совокупность автономных программ, при этом из-за неучета в подсистемах многих факторов, оцениваемых в других подсистемах, снижается качество проектных решений.

4. САПР - открытая и развивающаяся система. Существует, по крайней мере, две веские 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 техники, проектируемых объектов, 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 использования новых методов и средств.

5. САПР - специализированная система с максимальным использованием унифицированных модулей. Требования высокой эффективности и универсальности, как правило, противоречивы. Применительно к САПР это положение сохраняет свою силу. Высокой эффективности САПР, выражаемой прежде всего малыми временными и материальными затратами при решении проектных задач, добиваются за счет специализации систем. 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 черт и положений в моделировании, анализе и синтезе разнородных технических объектов. Безусловно, может быть сформулирован и ряд других принципов, что подчеркивает многосторонность и сложность проблемы САПР.

Системный подход к проектированию

Основные идеи и принципы проектирования сложных систем выражены в системном подходе. Для специалиста в области системотехники они являются очевидными и естественными, однако, их соблюдение и реализация зачастую сопряжены с определенными трудностями, обусловливаемыми особенностями проектирования. Как и большинство взрослых образованных людей, правильно использующих родной язык без привлечения правил грамматики, инженеры используют системный подход без обращения к пособиям по системному анализу. Однако интуитивный подход без применения правил системного анализа может оказаться недостаточным для решения все более усложняющихся задач инженерной деятельности.

Основной общий принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход выявляет структуру системы ее внутренние и внешние связи.

Системы автоматизированного проектирования и управления относятся к числу наиболее сложных современных искусственных систем. Их проектирование и сопровождение невозможны без системного подхода. Поэтому идеи и положения системотехники входят составной частью в дисциплины, посвященные изучению современных автоматизированных систем и технологий их применения.

Структура САПР

Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем. Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие.

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

Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными, подсистемы разработки и сопровождения программного обеспечения CASE (Computer Aided Software Engineering), обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.

Виды обеспечения САПР

Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает появление видов обеспечения САПР. Принято выделять семь видов обеспечения САПР:

техническое (ТО) , включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства);
математическое (МО) , объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;
программное (ПО) , представляемое компьютерными программами САПР;
информационное (ИО) , состоящее из базы данных, СУБД, а также включающее другие данные, которые используются при проектировании; отметим, что вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР, база данных вместе с СУБД носит название банка данных;
лингвистическое (ЛО) , выражаемое языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР;
методическое (МетО) , включающее различные методики проектирования; иногда к нему относят также математическое обеспечение;
организационное (ОО) , представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, которые регламентируют работу проектного предприятия.

Разновидности САПР

Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например по приложению, целевому назначению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы - ядра САПР.

По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР:

САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР или системами MCAD (Mechanical CAD);
САПР для радиоэлектроники: системы ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation);
САПР в области архитектуры и строительства.

Кроме того, известно большое число специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь классификации. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов; САПР электрических машин и т. п.

По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты (страты) проектирования. Так, в составе MCAD появляются рассмотренные выше CAE/CAD/CAM-системы.

По масштабам различают отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР, например: комплекс анализа прочности механических изделий в соответствии с методом конечных элементов (МКЭ) или комплекс анализа электронных схем; системы ПМК; системы с уникальными архитектурами не только программного (software), но и технического (hardware) обеспечений.

По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР:

1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т. е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. К этой группе систем относится большинство САПР в области машиностроения, построенных на базе графических ядер.

В настоящее время широко используют унифицированные графические ядра, применяемые более чем в одной САПР (ядра Parasolid фирмы EDS Urographies и ACIS фирмы Intergraph).

2. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях, например при проектировании бизнес-планов, но они имеются также при проектировании объектов, подобных щитам управления в системах автоматики.

3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые ПМК, например имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по МКЭ, синтеза и анализа систем автоматического управления и т. п. Часто такие САПР относятся к системам САЕ. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD.

4. Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проектирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий. Для управления столь сложными системами применяют специализированные системные среды.

Техническое обеспечение САПР

Основные требования к техническим средствам САПР состоят в следующем:

эффективность;
универсальность;
совместимость;
надежность.

Технические средства (ТС) в САПР решают задачи:

ввода исходных данных описания объекта проектирования;
отображения введенной информации с целью ее контроля и редактирования;
преобразования информации (изменения формы и структуры представления данных, перекодировки и др.);
хранения информации;
отображения итоговых и промежуточных результатов решения;
оперативного общения проектировщика с системой в процессе решения задач.

Для решения этих задач ТС должны содержать:

процессоры,
оперативную память,
внешние запоминающие устройства,
устройства ввода- вывода информации,
технические средства машинной графики,
устройства оперативного общения человека с ЭВМ,
устройства, обеспечивающие связь ЭВМ с удаленными терминалами и другими машинами.

ТС САПР могут одно- и многоуровневыми.

Обеспечение САПР имеет несколько видов: математическое, программное, информационное, техническое, лингвистическое, методическое, организационное.

1. Математическое обеспечение (МО) включает в себя алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение; функциональные модели проектируемых объектов; методы численного решения задач; методы поиска экстремума. МО САПР делится на:

Математические методы и построение на их основе математических моделей объектов проектирования;

Формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

МО должно описывать во взаимосвязи объект, процесс и средства автоматизации проектирования.

2. Программное обеспечение (ПО) – это совокупность всех программ и эксплутационной документации к ним, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. ПО делится на общесистемное и специальное (прикладное).

Общесистемное ПО создано для организации функционирования технических средств, т.е. планирования и управления вычислительным процессом, распределения имеющихся ресурсов. Общесистемное ПО близко по назначению к операционным системам.

Специальное ПО реализует математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур.

Специальное ПО, или прикладное ПО, имеет форму ППП.

Уровни программного обеспечения: машинный код, язык Ассемблера, языки высокого уровня (рис. 1.1).

3. Информационное обеспечение САПР (ИО)– это такие данные, которыми пользуется проектировщик в процессе проектирования для выработки проектного решения. Это справочные данные о комплектующих изделиях, типовых проектных решениях, параметрах элементов, сведения о состоянии текущих разработок в виде промежуточных и окончательных проектных решений, структур и параметров проектируемых объектов. Совокупность данных, используемых в САПР, составляет информационный фонд. Основная функция ИО – это ведение фонда, обновление, сохранение и организация доступа к данным.

Рис. 1.1. Иерархическая структура ПО

В состав ИО САПР входят:

Программные модули;

Исходные и результирующие данные для программных модулей;

Нормативно-справочная проектная документация, государственные и отраслевые стандарты, руководящие материалы и указания, типовые проектные решения, текущая проектная документация, отражающая ход и состояние выполнения проекта.

Различают следующие способы ведения ИО САПР:

Использование файловой системы;

Построение библиотек;

Использование БД;

Создание информационных программ адаптеров.

Применение файловой системы и построение библиотек широко распространено, так как поддерживается средствами операционной системы. Эти способы применяют при хранении программных модулей, диалоговых сценариев поддержки процесса проектирования, вводе крупных масштабов исходных данных, хранении текстовых документов. Однако они мало пригодны при оперативной обработке справочных данных.

Лингвистические средства системы управления базами данных изменяются от языков программирования до языков, ориентированных на конкретного пользователя.

Основные функции СУБД:

Создание схемы базы данных;

Организация хранения данных;

Зашита целостности БД;

Поддержание загрузки БД;

Предоставление пользователям доступа к БД.

Создание информационных программ адаптеров – для организации межмодульного интерфейса. В САПР, программы которых оперируют с большим числом данных (входных, промежуточных, результирующих), области обмена удобно организовать в виде некоторого банка данных. Это позволяет часть функций, выполняемых адаптером, возложить на СУБД, что в итоге сокращает время на разработку информационного и программного обеспечения. Адаптер выполняет совокупность операций по организации информационного взаимодействия между программными модулями.

4. Техническое обеспечение САПР. Традиционное проектирование занимает 15% вычислительных операций. Для САПР необходимы специализированные средства, в основном это автоматизированное рабочее место (АРМ). АРМ – для решения сложных проектных задач в автономном режиме (для трех- и двухмерного представления объектов проектирования), инвариантные к различным видам объектов проектирования и для решения типовых инженерных, конструкторских и технологических задач.

5. Лингвистическое обеспечение САПР ,основу которого составляют специальные языковые средства (языки проектирования), предназначенные для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений. Проблемно-ориентированные языки – это Фортран, Си и др. Для решения геометрических задач инженерного типа ПОЯ соединяют в себе средства алгоритмического языка для решения математических задач и специальные языковые средства моделирования геометрических объектов. Создаются ПОЯ по соответствующим областям применения (строительство, электроника и т.д.). Но чрезмерное разнообразие языков затрудняет обмен средствами САПР между предприятиями. Развитие гибких производственных систем требует тщательного решения вопросов по составу лингвистического обеспечения.

6. Методическое обеспечение САПР – это входящие в ее состав документы, регламентирующие порядок эксплуатации системы, носящие характер инструкций.

7. Организационное обеспечение САПР – положения, приказы, штатное расписание, квалификационные требования, регламентирующие организационную структуру подразделений с комплексом средств автоматизированного проектирования.