Система автоматизированного проектирования представляет собой организационно-технический комплекс, состоящий из большого числа подсистем и компонентов. Подсистемы являются основными структурными звеньями САПР и различаются по назначению и по отношению к объекту проектирования.
Существующий отечественный и зарубежный опыт в области автоматизации проектирования свидетельствует о том, что разработка, внедрение и эффективное использование программных комплексов, предназначенных для автоматизации процесса проектирования и реализуемых на базе современных ЭВМ, требуют комплексного решения широкого спектра проблем: организационных, технических, математических, программных, лингвистических, информационных и др. Решение этих проблем базируется на соответствующих видах обеспечения, которые будут подробно рассмотрены в третьей главе.
Сложность разработок больших комплексов взаимосвязанных программ заключается в том, что эффективность решения каждой конкретной проблемы, как правило, определяется на завершающем этапе работы, когда вся или большая часть системы начинает функционировать. Это предопределяет сложность создания высокоэффективных программных комплексов при первоначальной разработке. Как правило, система становится эффективной в ходе сравнительно длительного процесса создания, испытаний, совершенствования и доводки.
Под проблемой синтеза структуры САПР понимаются [7]: определение состава и взаимосвязей элементов системы; выбор принципов организации взаимодействия элементов; оптимальное распределение функций между человеком и ЭВМ; выбор организационной иерархии;
решение вопросов организации информационного интерфейса между элементами системы.
Задачи синтеза структуры САПР взаимосвязаны с задачами оптимизации функционирования системы.
Ограничениями в процессе синтеза структуры САПР являются допустимые нагрузки элементов (объемы информации), перерабатываемые в единицу времени. Одним из таких элементов САПР является человек, который, как показывают исследования, нередко вынужден принимать решения в процессе работы в системе со скоростью во много раз большей, чем при традиционной работе. Естественно, он не может длительное время выдерживать такую нагрузку. Поэтому, например, при работе за дисплеем проектировщик снижает свою производительность на 30—40% после первого часа работы и на 70—80% после второго часа [1].
Среди разнообразных систем управления (к которым, в частности, принадлежат и системы проектирования) наиболее распространены системы с иерархической структурой. Их характерными особенностями являются:
автономность отдельных подсистем; управление подсистемами при неполной информации; агрегирование информации при движении вверх по иерархическим ступеням;
взаимовлияние подсистем из-за наличия общих ограничений. Основы математической теории синтеза структуры сложных систем в настоящее время только закладываются. В качестве критерия эффективности их функционирования, как правило, принимается максимум информации, полученной в единицу времени.
Рис. 1.2. Виды обеспечения САПР
САПР включает в себя следующие виды обеспечения (рис. 1.2): техническое—устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства или их сочетания;
математическое — методы, модели, алгоритмы; программное — документы с текстами программ, программы на машинных носителях и эксплуатационные документы;
информационное — документы, содержащие описания стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов, комплектующих изделий, материалов и другие данные, а также файлы и блоки данных на машинных носителях с записью указанных документов;
методическое—документы, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования; лингвистическое—языки проектирования, терминология; организационное — положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений и их взаимодействие с комплексом средств автоматизации проектирования.
, Основными структурными элементами САПР являются подсистемы, которые подразделяются на проектирующие и обслуживающие. К проектирующим относят подсистемы, выполняющие проектные процедуры и операции, например расчетную, чертежно-графическую, подсистему подготовки носителей для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и автоматизированных линий (например, раскроя листов электротехнической стали или сварки металлоконструкций баков в трансформаторостроении). К обслуживающим относят подсистемы, предназначенные для поддержания работоспособности проектирующих подсистем, например подсистему управления данными и др.
Рис. 1.3. Общая структура САПР
В зависимости от отношения к объекту проектирования также различают объектно-ориентированные (объектные) и объектно независимые (инвариантные) подсистемы.
К первым относят подсистемы, выполняющие проектные процедуры или операции, непосредственно зависящие от проектируемого объекта. К инвариантным относят подсистемы, выполняющие унифицированные проектные операции и процедуры (рис. 1.3), не зависящие от объекта проектирования.
Каждая подсистема САПР, как правило, создается в виде пакета программ (ПП), под которым понимается комплекс взаимосвязанных программ, обладающих специальной организацией, которая обеспечивает значительное повышение производительности труда пользователя при решении конкретных задач.
Общими особенностями организации ПП являются следующие
[8]:
- Ориентация пакета на определенный класс задач. При этом ПП делятся на методо-ориентированные и проблемно-ориентированные. Первые предназначены для решения задач различными методами, например пакет алгоритмов параметрической оптимизации. Вторые пакеты предназначены для решения некоторого набора задач, различающихся как по постановке, так и по методам решения. Примером проблемно-ориентированного ПП является пакет прикладных программ расчета типоисполнений силовых трансформаторов [9].
- Каждый ПП обладает некоторым набором возможностей по методам обработки данных, формам представления результирующей информации и т. д. Это дает возможность пользователю выбрать требуемый вариант обработки данных.
- Значительное снижение требований к уровню профессиональной подготовки инженера-пользователя в области программирования по сравнению с подготовкой математика-программиста.
При классификации ПП обычно указывается тип операционной системы, под управлением которой работает пакет, и способ
организации пакета. По способу организации ПП делятся на пакеты с библиотечной и блочной организацией. Первая является наиболее простой и ориентирована на пользователей-программистов высокой квалификации. При таком подходе мало проблем при формировании пакета, однако появляются серьезные трудности при эксплуатации пакета, поскольку стыковка программ по информации постоянно требует вмешательства пользователя на уровне алгоритмического языка.
При блочной организации ПП определяется круг решаемых задач и для каждой из них составляется граф управления, согласно которому из исходной совокупности программ в определенном порядке вызываются те, которые задействованы в данной задаче. При обращении к пакету достаточно указать шифр соответствующего графа управления и задать необходимую исходную информацию, что обеспечивает удобство и простоту при эксплуатации. Недостаток подобного подхода заключается в том, что при появлении новых задач требуется из исходных программ формировать новый граф управления, а для этого нужно знание функций и особенностей каждой программы.
При блочной организации ПП по принципу черного ящика автоматически формируется граф, содержащий последовательность программ, которая обеспечивает решение заданной пользователем задачи. При этом учитываются причинно-следственные связи между результатами функционирования всех программ, что может быть представлено в виде матриц инцидентности, смежности и др. При такой организации работа с пакетом значительно упрощается, поскольку при обращении к пакету достаточно только указать цель обращения.
Пакеты последней группы обладают наиболее сложной организацией. Это направление в конструировании ПП в настоящее время интенсивно развивается.
Как правило, ПП, входящие в САПР, должны создаваться на основе единых принципов, с полным объемом стандартизованной документации, с четкой ориентацией каждого пакета на конкретную функцию, выполняемую САПР. Однако полного архитектурного* единства в используемых ПП достичь не удается в тех случаях, когда в составе САПР используются ПП (большей частью инвариантные), разработанные в других организациях. Такой подход к комплексированию САПР безусловно не позволяет говорить о синтезе ее оптимальной структуры. В то же время в связи с интенсивным развитием программного обеспечения в последние годы появляется возможность подбора ПП различного назначения, не нарушающих архитектурного единства всей системы.
Однако, несмотря на имеющиеся различия в подходах к созданию ПП, в основе их построения всегда лежит модульный принцип (см. рис. 1.1).
Модулем называется универсальный элемент ПП, который может применяться самостоятельно либо в пакете программ. Модуль состоит из тела и паспорта. Тело модуля — текст на алгоритмическом языке, написанный с соблюдением соглашений о сопряжении по информации и управлению между модулями. Паспорт модуля — совокупность важнейших внутренних и внешних характеристик модуля, т. е. идентификатор** модуля; язык программирования; списки входных, выходных и промежуточных параметров; указание на используемый в модуле математический аппарат; список модулей и стандартных подпрограмм, вызов которых осуществляется из тела данного модуля; машинные ресурсы, необходимые для работы модуля (время функционирования, объем памяти и др.).
* Под термином -архитектура- применительно к САПР понимается структура программно-информационных и технических средств и принципов организации процесса переработки информации в ЭВМ.
** В языках программирования «идентификатор» — это имя объекта (программы, массива, метки и др.).
Рис. 1.4. Зависимость эффективности модуля от его размера
Среди программистов нет единого мнения в вопросе о размерах модуля. Для каждого конкретного случая, по-видимому, можно говорить об оптимальном размере модуля (рис. 1.4) [10], который должен являться первоосновой для синтеза оптимальной структуры САПР.
Не касаясь нерешенной пока проблемы оптимизации размеров модуля, можно констатировать, что модульный принцип при создании САПР дает целый ряд очевидных преимуществ и в настоящее время является общепризнанным.
