2.1 Основные недостатки неавтоматизированного проектирования
Процесс проектирования как объект автоматизации представляет собой сложную систему по сбору и целенаправленной переработке входной научно-технической информации в выходную информацию в виде проекта. Схематично это можно представить в следующем виде (рис.2):
 |
Рисунок 2 – Схема процесса проектирования
При этом отличительной особенностью полученных результатов проектирования является то, что они, по существу, играют лишь роль прогноза, достоверность которого будет подтверждена или опровергнута после воплощения объекта в металле.
От того, насколько проработана и адекватно воспроизводится на этапе проектирования технология, насколько совершенно оборудование, средства анализа, контроля и управления, и будет зависеть реальность проектных решений. Кроме того, проектировщику необходимо решать проблемы охраны окружающей среды, применения новых материалов, рассчитывать параметры надежности оборудования. Все это качественно затрудняет работу проектировщика, требует все большего числа расчетов, принятия решений по вопросам, не до конца изученным.
Решая проектные задачи, специалисты уже давно начали расчленять процесс проектирования на отдельные стадии, а стадии, в свою очередь, на отдельные проектные процедуры и операции.
Проектирование, основанное на аналогии, опыте и интуиции проектировщика с привлечением компьютера для решения частных проектных задач, не позволяет в должной степени реализовать достижения научно-технического прогресса. К основным недостаткам существующего подхода можно отнести следующие:
- не всегда используются новейшие достижения науки и техники в области технологии и организации строительства в силу сложности поиска и анализа соответствующих разделов научной информации;
- недостаточно прорабатываются вопросы повышения производительности труда и снижения расходов материальных и энергетических ресурсов в силу сложности технологических и иных проектных решений, что приводит к необходимости доработки на действующих производствах проектных решений;
- невозможность просмотра альтернативных вариантов и соответственно выбора оптимальных решений;
- отсутствие оптимизации функционирования отдельных процессов и тем более производств в целом, что затрудняет возможность создания рециклических схем и схем с использованием вторичных материальных и энергетических ресурсов;
- неоправданно завышается объем проектно-сметной документации;
- невозможность сбора, обработки и учета статистики отказов оборудования, что не позволяет гарантировать надежность функционирования технологической схемы;
- длительные сроки проектирования выхода на проектную мощность не позволяют создавать производств, отвечающее уровню развития техники и технологии к моменту освоения производства;
- система инженерных расчетов, излагаемая в методических рекомендациях по проектированию, обычно базируется на упрощенных методиках и не предусматривает широкого применения экономико-математических методов.
Получается, что проектирование отстает от темпов развития науки. Но чем в меньшей степени используются научные достижения при проектировании, тем больше разрыв между наукой и практикой проектирования.
Решения принимаются без вариантной проработки, а в основе согласований и расчетов обычно лежат укрупненные показатели, на основании которых и выполняется корректировка решений по совокупности показателей. При такой практике проектирования вряд ли следует ожидать получения оптимального с технологической и экономической точек зрения проекта.
2.2 Автоматизированное проектирование
Одним из радикальных способов решения проблем, стоящих перед проектными организациями, является автоматизация процесса проектирования.
Под автоматизированным проектированием в настоящее время понимается целенаправленный поиск оптимального варианта проекта с максимальным использованием достижений науки и техники с выдачей результатов проектирования в виде чертежей и текстовых документов.
Средства автоматизации проектирования имеют своей задачей повышение эффективности труда инженеров. При создании любой технической системы необходимо стремиться к экономии трудозатрат.
Основные цели компьютеризации инженерной деятельности связаны с сокращением трудоемкости проектирования и планирования, а также их себестоимости, длительности цикла «проектирование – изготовление», затрат на натурное моделирование проектируемых объектов.
Трудоемкость измеряется чистым временем, традиционно в человеко-часах, затрачиваемым на разработку и корректировку технической документации, без учета ожиданий по организационно-техническим причинам. Для сокращения трудоемкости необходимо располагать средствами автоматизации оформления графической и текстовой документации, средствами информационной поддержки и автоматизации принятия решений.
Длительность цикла измеряется календарным временем от получения задания до его завершения с учетом всех ожиданий по организационно-техническим причинам. Сокращение длительности цикла «проектирование – изготовление» обеспечивается с помощью средств совмещенного проектирования и виртуального бюро.
Сокращение себестоимости проектирования достигается за счет использования ранее созданных и унифицированных проектных и конструкторских решений, которые могут быть собраны в библиотеки и базы знаний. Таким же образом обеспечивается создание вариантов и модификаций объектов (систем).
Улучшение качества результатов проектирования относится к основным целям компьютеризации инженерной деятельности и связано с необходимостью достижения уровня лучших образцов в классе проектируемых объектов. Улучшение качества проектов достигается использованием автоматизированного поискового и многовариантного проектирования, применением математических методов оптимизации параметров и структуры объектов и процессов.
Уровень изделий определяется существенными признаками, свойствами, структурами или функциями их как технических систем. Наиболее современным методом оптимизации является применение генетических алгоритмов, позволяющих проводить как структурную, так и параметрическую оптимизацию изделий при произвольном виде критериальной функции.
Унификация проектных решений выполняется за счет адаптированных к условиям каждого предприятия баз данных и знаний.
Стратегическое проектирование – это метод создания и ведения долгосрочных проектных программ, начинающихся с разработки базового изделия, которое затем подвергается постепенным модификациям и усовершенствованиям с целью удовлетворения текущих и учета будущих требований пользователей в течение длительного периода времени. Сущность стратегического проектирования заключается в постоянном отборе и оценке концепций с целью поиска решений, обеспечивающих наилучшее удовлетворение краткосрочных и долгосрочных требований потребителей. Основная цель – обойти коммерческие и/или технологические тупики в процессе быстрых изменений условий и технологий на рынке.
К затратам на натурное моделирование относят затраты на проектирование и изготовление образцов изделий и их узлов, их испытание на стендах и т.д. сокращение таких затрат может быть достигнуто за счет его полной или частичной замены математическим моделированием.
К вспомогательным целям автоматизации проектирования относят сокращение трудоемкости разработки программных средств, трудозатрат на их адаптацию к условиям эксплуатации при внедрении, а также их сопровождения, то есть ее модификации, обусловленной необходимостью устранения выявленных ошибок и/или изменения функциональных возможностей.
Средством сокращения трудоемкости адаптации систем к условиям эксплуатации на конкретном предприятии с учетом стандартов этого предприятия, а также традиций и принципов принятия проектных решений являются системы управления базами данных и знаний, ориентированные на конечного пользователя. Это означает, что упомянутые системы должны быть оснащены средствами описания и манипулирования данными, доступными пользователю без навыков программирования.
2.3 Этапы автоматизации проектирования
Работы по автоматизации проектирования условно можно разделить на три основных этапа:
1) автоматизация отдельных рутинных работ и небольших инженерных расчетов при отсутствии автоматизации принятия решений;
2) автоматизация сложных задач и комплексов задач, массовое решение оптимизационных задач, хранение огромных массивов информации в памяти компьютера и соответственно информационное обеспечение традиционного проектирования, создания библиотек программ различной направленности;
3) создание САПР, которые на основе соответствующего математического обеспечения позволяют автоматически принимать решения по многим вопросам стратегии проектирования и выбора адекватных методов решения из имеющихся библиотек.
На современном этапе на базе высокопроизводительных вычислительных средств интенсивно развивается теория и практика создания САПР – комплекса специальным образом организованных элементов, предназначенных для преобразования абстрактных представлений об объекте в форму документа (проекта) и управления им в условиях ограниченности средств.
2.4 Определения САПР
Для автоматизации проектирования необходимо развитие методов математического моделирования, совершенствование прикладного математического обеспечения, расширение информационной базы, совершенствование вычислительной техники.
Отличие автоматизированного проектирования от обычного использования вычислительной техники для выполнения проектных расчетов состоит в том, что автоматизированное проектирование ориентировано на использование систем, а не разобщенных наборов программ.
Автоматизированное проектирование и разработка систем (создание САПР) лежит в сфере интересов института системных исследований. Первоначально было принято решение не давать формального определения САПР (для расширения свободы действия на ранней стадии исследований в этой области). В связи с этим развивается несколько подходов к разработке САПР.
1) Подходы, в которых САПР рассматривается как методологическая наука, в основном мотивировалась практическими потребностями активизации промышленного проектирования. Это нашло выражение в рассмотрении САПР как комплекса вычислительных средств (программного обеспечения и техники), на основе которых стали формироваться системы для решения проектных задач и комплексы системных методов для их стыковки. Одним из определений САПР, которое может быть выведено на основе такого подхода, является следующее: САПР – есть объединение соответствующей вычислительной техники и модулей программного обеспечения с целью решения проектных задач в конкретной области приложения.
В соответствии с этим определением САПР есть программно-машинный комплекс, состоящий из технических средств, системного и прикладного математического обеспечения и средств диалога.
2) Другой более академический подход к определению автоматизированного проектирования состоит в рассмотрении всех аспектов проектирования, включая социальную, экономическую и техническую деятельность, и в применении фундаментальных основ системного анализа для локализации и определения роли этой деятельности в общем комплексе промышленно развитого общества. Первоочередное внимание при таком подходе уделяется процессам принятия решений, ведущих к выбору частных объектов проектирования, определению факторов, влияющих на принятие этих решений, и выявлению законов, определяющих влияние этих факторов друг на друга. В соответствии с этим подходом САПР можно определить следующим образом: САПР – есть средство оптимизации принятия решений путем обобщения созидательной активности и создания некоторой синтетической теории проектирования, положения которой могут быть воплощены в конкретных программах.
Что характерно для этих определений, так это внешне второстепенная роль технических средств, хотя вычислительная техника является базой, усилителем и ускорителем интеллектуальных возможностей человека. В этом смысле интересно определение суперЭВМ: «СуперЭВМ – это ЭВМ, которая отстает только на одно поколение от задач, над проблемами решения которых работают в настоящее время ученые». Тем самым подчеркивается важность программного обеспечения, раскрывающего предметную область и определяющего стратегию принятия решений.
Приведенные определения САПР, по существу, характеризуют целевое их назначение. Первое относится к конкретной области приложения. Так, в соответствии с общеотраслевыми руководящими методическими материалами по созданию САПР, последняя определяется как «организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации и выполняющая автоматизированное проектирование». При этом под комплексом средств автоматизации понимается совокупность средств методического, программного, технического, информационного и организационного обеспечения. Что касается второго определения САПР, то оно в большей степени ориентирует на развитие систем, способных решать проблемы на уровне искусственного интеллекта.
2.5 Задачи, решаемые с помощью САПР
Как уже было сказано выше, САПР это не простой набор программных модулей, выполняющих небольшие инженерные расчеты и помогающих осуществлять чертежные работы, а система, обеспечивающая решение всех задач проектирования. Требования, предъявляемые к САПР с точки зрения разработки проекта:
1. Концептуальное проектирование – связано с определением потребности в продукции на основании рыночных данных, промышленности, планового развития отрасли и т.д. и включает процессы разработки и принятия решений, ведущих к описанию проекта в общих чертах. На этом этапе основное внимание уделяется анализу ранее известной или конкурирующей продукции, анализу патентов, стандартов, оценке источников сырья и рынков сбыта. Для этого должны быть средства для проведения предварительных вычислений с целью проверки осуществимости этой идеи, получения предварительных экономических оценок и т.д. Этот этап является самым ответственным, поскольку основывается на современном уровне развития технологии, состоянии научных разработок, прогнозирующей силе проектировщиков. Для получения реалистических оценок САПР должна обладать интеллектуальными свойствами, адекватно отображать предметную область. Функции этапа, по существу, состоят в разработке задания на проектирование.
2. Проектный анализ – связан с явным (физическим) или модельным анализом предложенной схемы получения продукции. Здесь требуется точное определение топологии объекта, параметров сырья и выходной продукции, источников энергии и т.д. Чаще всего физическая реализуемость идеи проверяется на основании аналогов производства или экспериментальных лабораторных исследований. Эти данные являются базовыми для формирования технологической схемы производства. Однако многовариантность ее реализации не позволяет априори сделать оптимальный выбор без использования компьютерной техники. На этом этапе во многих случаях эффективным является наличие возможности изменения схемы в интерактивном режиме, так как исключается анализ нереализуемых вариантов. Этот этап можно интерпретировать как предварительную проработку проекта.
3. Детальное проектирование – состоит в проектировании всех аппаратов, необходимых для производства продукции. Определяются конструкционные характеристики оборудования, взаимосвязи между отдельными стадиями производства, оцениваются возможности вторичного использования энергетических потоков, т.е. формируется окончательный вариант технологической схемы, удовлетворяющий требованиям замкнутости энергетических и материальных потоков. Два последних этапа проектирования тесно взаимосвязаны и часто выполняются как один, особенно при ограниченном количестве вариантов технологических схем. Диалоговый или интерактивный режим выполнения проектного анализа позволяет на основе опыта специалиста сделать выбор в пользу того или иного варианта, однако не гарантирует получение именно оптимального. Поэтому целесообразнее выполнять этот этап по точным моделям отдельных процессов.
4. Подготовка проектной документации – состоит в увязке разработок предыдущих стадий в виде выходной документации. В интегрированных системах проектирования этот этап включает создание систем управления производством, обработку коммерческой информации, оценку перспектив производства.