2.4. Компоненты видов обеспечения сапр

Средства автоматизации проектирования можно сгруп­пировать по видам обеспечения автоматизированного проектирования (рис.1.3).

Математическое обеспечение. Основу матема­тического обеспечения (МО) САПР составляют алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспече­ние САПР. Элементы математического обеспечения в САПР чрезвычайно разнообразны.

Среди них имеются инвариантные элементы — принципы построения функцио­нальных моделей, методы численного решения алгебраи­ческих и дифференциальных уравнений, постановки экстремальных задач, поиски экстремума. Разработка математического обеспечения является самым сложным этапом создания САПР, от которого в наибольшей степени зависят производительность и эффективность функционирования САПР в целом.

По назначению и способам реализации МО САПР делится на две части:

1. математические методы и по­строенные на их основе математические модели, описы­вающие объекты проектирования;

2. формализованное описание технологии автоматизированного проектиро­вания.

Способы и средства реализации первой части матема­тического обеспечения наиболее специфичны в различных САПР и зависят от особенностей объектов проектирова­ния. Что касается второй части математического обес­печения, то формализация процессов автоматизирован­ного проектирования в комплексе оказалась более слож­ной задачей, чем алгоритмизация и программирование отдельных проектных задач.

При решении этой задачи должна быть формализована вся логика технологии про­ектирования, в том числе логика взаимодействия проекти­ровщиков друг с другом на основе использования средств автоматизации.

Математи­ческое обеспечение САПР должно описывать во взаимо­связи объект, процесс и средства автоматизации проек­тирования.

Важным результатом совершенствования и типизации технологии процессов автоматизированного проектирова­ния явилась разработка методических указаний Госстан­дарта "САПР. Типовые функциональные схемы проектиро­вания изделии в условиях функционирования систем". В них подчеркивается, что процесс автоматизированного проектирования по составу и последовательности про­цедур, содержанию и формам проектной документации качественно отличается от традиционного процесса проек­тирования.

Вместе с тем в процессе автоматизированного проектирования можно выделить определенное число про­цедур, инвариантных к объектам проектирования.

Перс­пективной для совершенствования и типизации технологии процессов автоматизированного проектирования является централизованная разработка математического аппарата моделирования типового процесса проектирования и вы­пуск базовых программно-методических комплексов, реа­лизующих такие модели.

Программное обеспечение (ПО) САПР представляет собой совокупность всех про­грамм и эксплуатационной документации к ним, необ­ходимых для выполнения автоматизированного проекти­рования. Программное обеспечение делится на общеси­стемное и специальное (прикладное).

Основы автоматизации проектирования машин

Рис. 1.3. Составные части автоматизации проектирования машин

Общесистемное ПО предназначено для органи­зации функционирования технических средств, т.е. для планирования и управления вычислительным процессом, распределения имеющихся ресурсов, и представлено опе­рационными системами вычислительных комплек­сов (ВК). Общесистемное ПО обычно создается для многих приложений и специфику САПР не отражает.

В специальном (прикладном) ПО реализуется математическое обеспечение для непосредственного вы­полнения проектных процедур. Прикладное ПО обычно имеет форму пакетов прикладных программ (ППП), каж­дый из которых обслуживает определенный этап процесса проектирования или группу однотипных задач внутри различных этапов.

Рассмотрим принципиальные особенности ПО, влияющие на организацию и эффективность создания и ис­пользования САПР. С развитием вычислительной техники все большее значение приобретает такой компонент общесистемного ПО как операционные системы (ОС). Возможности, предоставляемые пользователям современ­ными ВС, в большей степени определяются их операци­онными системами, чем техническими устройствами. ОС организует одновременное решение различных задач на компьютере, динамическое распределение каналов передачи дан­ных и внешних устройств между задачами, планирование потоков задач и последовательность их решения с учетом установленных критериев, динамическое распределение памяти вычислительного комплекса. Однако ОС требует для своей работы определенных ресурсов: процессора, внешней и основной памяти. Чем большими возможно­стями обладает ОС, тем больше требуется для нее ресур­сов.

Операционные системы можно генерировать приме­нительно к определенным конфигурациям технических средств вычислительного комплекса и кругу решаемых задач. Но при этом параметры и состав технических средств ограничивают возможности ОС.

Важным компонентом общесистемного ПО является базовое ПО. Базовое ПО не является объектом раз­работки при создании программного обеспечения САПР. Примером может служить базовое ПО для обработки геометрической и графической информации, для формиро­вания и использования баз данных (БД).

Использование АРМ, в состав которых включено по­добное базовое ПО, реализующее стандартные проектные процедуры, существенно снизит трудоемкость создания программного обеспечения САПР. Однако во всех случаях за создателями САПР останется разработка прикладного ПО. С расширением области применения вычислительной техники и усложнением задач автоматизации процессов проектирования возрастают сложность и трудоемкость программирования.

В последнее время, особенно в связи с широким внедрением в инженерную практику персональных компьютеров, начинают исполь­зоваться функциональные и интегрированные пакеты программ.

Функциональные пакеты программ (ФПП) — это комплекс программных средств, ориентированных на выполнение опреде­ленной функции, более или менее безотносительно к конкрет­ному предметному содержанию (обработка текстов — текстовые редакторы, обработка таблиц, графики).

Интегрированные пакеты программ (ИПП) — это сочетание разных пакетов программ в единой технологической системе.

Интеграция может быть реализована соединением основных функциональных пакетов в целостную монолитную систему, представленную единым программным модулем, или путем созда­ния набора вспомогательных средств интерфейсного характера для обеспечения взаимодействия пакетов, представленных неза­висимыми модулями.

В последнее время общее признание получил модульный прин­цип построения программного обеспечения.

Программы целесообразно разбивать на модули, для того чтобы упростить их разработку и реализацию; облегчить восприя­тие программы; упростить их отладку и модификацию; облегчить работу с данными, имеющими сложную структуру; избежать чрезмерной детализации алгоритмов; обеспечить более выгодное размещение программ в памяти компьютера.

Каждый модуль обычно представляет собой самостоятельную программу, предназначенную для расчета отдельных компонен­тов, систем или реализующую один из методов расчета или отдель­ную его процедуру. Модуль должен быть, как правило, независимым от рассма­триваемых вариантов объекта, процесса, системы (структуры, режима функционирования и др.). Он должен быть тем элементом (компонентом), с помощью которого можно описать любой вариант объекта, процесса, системы.

Наличие таких модулей позволяет свести к минимуму процесс дополнительного программирования, сократить время по подго­товке пользователя к работе. В процессе реальной работы с таким программным обеспечением проводится постоянная замена самих модулей или отдельных компонент, соответствующих тому или иному варианту объекта, процесса, системы, с максимальной уни­фикацией ввода и вывода данных.

Информационное обеспечение САПР. Основу инфор­мационного обеспечения (ИО) САПР составляют дан­ные, которыми пользуются проектировщики в процессе проектирования непосредственно для выработки проект­ных решений. Эти данные могут быть представлены в виде тех или иных документов на различных носите­лях, содержащих сведения справочного характера о ма­териалах, комплектующих изделиях, типовых проектных решениях, параметрах элементов, о состоянии текущих разработок в виде промежуточных и оконча­тельных проектных решений, структур и параметров проектируемых объектов и т. п.

При этом данные, являющиеся результатом одного процесса преобразования, могут быть исходными для другого процесса. Совокупность данных, используемых всеми компонентами САПР, составляет информационный фонд САПР. Основная функция ИО САПР — ведение ин­формационного фонда, т. е. обеспечение создания, под­держки и организации доступа к данным. Таким обра­зом, ИО САПР есть совокупность информационного фонда и средств его ведения.

В состав информационного фонда САПР входят:

• программные модули, которые хранятся в виде симво­лических и объектных текстов; как правило, эти дан­ные мало изменяются в течение жизненного цикла САПР, имеют фиксированные размеры и появляются на этапе создания информационного фонда; потребителями этих данных являются мониторы различных подсистем САПР;

• исходные и результирующие данные, которые необходимы при выполнении программных модулей в процессе преобразования; эти данные часто меняются в процес­се проектирования, однако их тип постоянен и полностью определяется соответствующим программным модулем; при организации промежуточных данных возможны конфликтные ситуации в процессе согласования между собой данных различных типов;

• нормативно-справочная проектная документация (НСПД), включающая в себя справочные данные о материалах, элементах схем, унифицированных узлах и конструкциях; эти данные, как правило, хорошо структу­рированы и могут быть отнесены к фактографическим; к НСПД относятся также государственные и отрасле­вые стандарты, руководящие материалы и указания, ти­повые проектные решения, регламентирующие документы (слабо структурированные документальные данные);

• текущая проектная информация, отражающая состоя­ние и ход выполнения проекта; как правило, эта ин­формация слабо структурирована, часто изменяется в процессе проектирования и представляется в форме текс­товых документов.

При выборе способов ведения информационного фон­да САПР важно сформулировать принципы и опреде­лить средства ведения информационного фонда, структу­рирования данных, выбрать способы управления масси­вами данных.

Различают следующие способы ведения информацион­ного фонда САПР: использование файловой системы; по­строение библиотек; использование банков данных; со­здание информационных программ адаптеров.

Использование файловой системы и по­строение библиотек широко распространено в организации ИО вычислительных систем, так как под­держивается средствами ОС. В приложениях к САПР эти способы применяют при хранении програмных модулей в символических и объектных кодах, диалоговых сцена­риев поддержки процесса проектирования, начального ввода крупных массивов исходных данных, тек­стовых документов. Однако они малопригодны при обес­печении быстрого доступа к справочным данным, хранении меняющихся данных, ведении текущей проектной до­кументации, поиске необходимых текстовых документов организации взаимодействия между разноязыковыми модулями.

Автоматизированные базы данных представляют собой сово­купность баз данных (БД) и систем управления базами данных (СУБД). База данных - это специальным образом организован­ная совокупность данных и их описаний. Система управления базами данных - это программный комплекс, реализующий функ­ции создания базы данных, ее обновления, хранения, защиты и выборки данных. В настоящее время выделяют четыре типа организации структуры базы данных: иерархическая, сетевая, реляционная и объектно-реляционная.

Иерархическая структура базы данных - это такая структура, в которой существует упорядоченная по уровням запись элемен­тов объекта. В каждой группе записей один элемент считается главным, а другие элементы носят подчиненный характер по отно­шению к главному. Группы записей упорядочиваются по уровням в определенной последовательности.

Сетевая структура базы данных - это такая структура, в которой элементарные данные и отношения между ними представ­ляются в виде ориентированной сети: вершины - данные, дуги - отношения, связи. Такая структура позволяет пользователю полу­чить доступ к нужному файлу без обращения ко всем другим файлам более высокого уровня интеграции.

Реляционная и объектно-реляционная базы данных — это такие БД, в которых эле­ментарные данные (объекты) и отношения, взаимосвязи между ними пред­ставляются в виде таблиц. Столбцы таблицы — это атрибуты дан­ных, а строки — записи. Основными достоинствами реляционных баз данных являются простота, большая гибкость и доступность; недостатком - меньшая производительность по сравнению с иерар­хической и сетевой структурами базы данных.

Основные функции СУБД: создание схемы БД; орга­низация хранения данных; защита целостности БД; уп­равление доступом к БД путем разграничения доступа; предоставление пользователям доступа к БД; поддержа­ние загрузки БД и технологических процессов их функ­ционирования. Для осуществления этих функций СУБД должна иметь собственное ПО, включающее различные компо­ненты. Для хранения данных документального типа в САПР используют СУБД типа информационно-поисковых систем.

Создание информационных программ адаптеров было вызвано проблемой организации межмодульного ин­терфейса, которая привела к разработке специализиро­ванных систем и программной технологии.

К таким систе­мам относится, например, система, ориентиро­ванная на построение крупных программных комплексов из готовых модулей. В этой системе промежуточные дан­ные унифицируются с помощью единого процессора и построения специализированных межмодульных инфор­мационных программ-адаптеров, реализующих следую­щие функции:

1. контроль наличия исходных данных для каждого отдельного модуля;

2. задание недостаю­щих исходных данных;

3. проверку соответствия типов, структур и последовательности данных аналогичным характеристикам данных, принятым в вызываемом моду­ле;

4. преобразование данных при несоответствии типов;

5. обеспечение передачи данных вызываемому модулю в соответствии с типом обмена;

6. организацию среды, определяемой языком программирования модуля;

7. проверку результатов;

8. выполнение обратного пре­образования данных в вид, принятый для хранения про­межуточных результатов;

9. сохранение результатов ра­боты модуля для дальнейшего использования.

В крупных САПР, программы которых оперируют с большим числом входных, промежуточных и результиру­ющих переменных, области обмена удобно организовы­вать в виде некоторого банка данных. Это позволяет возложить часть функций, выполняемых адаптером, на СУБД, что в конечном итоге сокращает время на разра­ботку информационного и программного обеспечения САПР.

Таким образом, адаптер выполняет совокупность опе­раций по организации информационного взаимодействия между программными модулями.

Техническое обеспечение САПР. Использо­вание компьютерной техники позволило значительно снизить трудоемкость и продолжительность вычислительных работ. Но в про­цессе проектирования изделий и технологических процес­сов доля собственно вычислительных работ не превыша­ет 15 %. Автоматизация проектирования потребовала выпуска специализированных средств САПР. Техниче­ское обеспечение САПР представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизиро­ванного проектирования.

Любые вычислительные комплексы САПР, в том числе и АРМ, должны включать необходимое число периферий­ных устройств для ввода и отображения информации: графические дисплеи с высокой разрешающей способностью, высокоточные рулонные и планшетные гра­фопостроители различного формата, кодировщики векторной графи­ческой информации (дигитайзеры), устройства снятия растровой копии с изображения (сканеры), накопители на переносных магнитных и оптических дисках, накопители на жестких дисках, функ­циональные клавиатуры, устройства связи с другими компьютерами по локальной сети, телефонной линии (модемы) и через Интернет.

В последнее время все большее применение в САПР находят персональные компьютеры, мощности которых могут наращиваться в зависимости от сложности решаемых задач.

В перспективе предусматривается переход к магистрально-модульной архитектуре АРМ, предполагающей, в частности, стандартизацию аппаратно-программных ин­терфейсов, в модификациях АРМ будет использована стандартная конструктивная база, построенная на меж­дународных стандартах. Программное обеспечение АРМ намечено проводить централизованно и поставлять по за­казам пользователей в составе ПТК через Интернет. Основу перспективного технического обеспечения САПР составят типовые ПТК, требования к которым установлены ГОСТами.

Лингвистическое обеспечение САПР. Основу лингвис­тического обеспечения САПР составляют специальные языковые средства (языки проектирования), предназ­наченные для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений. Основная часть лингвистического обеспечения — языки общения челове­ка с компьютером.

Проблемно-ориентированные языки (ПОЯ) проектирования аналогичны универсальным алгоритмическим языкам программирования (ПАСКАЛЬ, СИ и др.), но отличаются функциональной терминологией операторов. В одних случаях ПОЯ строят таким образом, что описание любой задачи или задание на ее решение в основном содержит оригинальные термины физического и функционального содержания. Переход от физического и функциональ­ного описания задачи к компьютерным программам реализу­ется далее автоматически с помощью транслятора. В других случаях, например, при решении геометричес­ких задач инженерного типа, ПОЯ соединяет в себе средства алгоритмического языка высокого уровня для решения вычислительных математических задач и специальные языковые средства моделирования геометрических объектов. Транслятор алгоритмического языка высокого уровня дополнен необходимыми специальными программами.

Очевидно, что ПОЯ хотя и называются языками, на самом деле представляют комплексы лингвистических и программных средств, которые должны включать сле­дующее: набор терминальных символов ПОЯ; интерпретатор с ПОЯ; средства синтаксического анали­за; средства пакетирования директив; библиотеки ба­зовых функций ПОЯ; интерфейс для связи СУБД.

Возможности ПОЯ имеют исключительно важное зна­чение в автоматизированном проектировании. Они не только влияют на производительность и уровень автома­тизации проектирования, но и определяют сложность и ха­рактер работ проектировщиков со средствами САПР, мо­гут сделать эти работы более привлекательными или на­оборот. В последнем случае проектировщики будут явно и неявно противодействовать автоматизации. В настоя­щее время в мировой и отечественной практике сущест­вуют специальные методики и программные средства, значительно сокращающие трудоемкость создания ПОЯ. В частности, при разработке изобразительных средств ПОЯ может использоваться метасистема, позволяющая на основании заданной формальной грамматики получать соответствующий программный интерпретатор. При раз­работке программных модулей библиотеки базовых функ­ций могут применяться любые алгоритмические языки высокого уровня.

Однако чрезмерно большое разнообразие ПОЯ затруднит обмен средствами САПР между пред­приятиями и потребует обучения большого числа специ­алистов работе с несколькими языками.

Таким образом, развитие гибких производственных систем требует особенно определения состава лингвистического обеспечения САПР.

Методическое обеспечение САПР. Под методическим обеспечением САПР понимают входящие в ее состав документы, регламентирующие порядок ее эксплуатации. Причем документы, относящиеся к процессу создания САПР, не входят в состав методического обеспечения. Так как документы методического обеспечения носят в основном инструктивный характер и их разработка является процессом творческим, то о специальных спо­собах и средствах реализации данного компонента САПР говорить не приходится. В последнее время совершен­ствование организации работ в области автоматизации проектирования направлено на централизованное созда­ние типовых ПМК с целью широкого тиражирования. Такие ПМК должны включать, наряду с компьютерными программами и базами данных, комплекты документации. Таким образом, указанная документация станет частью методического обеспечения САПР.

Организационное обеспечение САПР. Стандарты по САПР требуют выделения в качестве самостоятельного компонента организационного обеспечения, которое вклю­чает в себя положения, инструкции, приказы, штатные рас­писания, квалификационные требования и другие докумен­ты, регламентирующие организационную структуру под­разделений проектной организации и взаимодействие под­разделений с комплексом средств автоматизированного проектирования.

Функционирование САПР возможно только при на­личии и взаимодействии перечисленных средств автома­тизированного проектирования. На рис. 1.4 представлен вариант схематизации иерархической структуры некоторых компонентов обеспечения автоматизированного проектирования.