Проектирование как инвариантная по отношению к конкретным объектам форма инженерной деятельности имеет ряд характерных особенностей:
- Процесс имеет итерационный характер.
- Решения принимаются на отдельных этапах в условиях неполной или недостаточной информации, которая в этих случаях поступает или из внешней среды, или вырабатывается проектировщиком в процессе творческой деятельности.
- В процессе проектирования сочетаются процедуры алгоритмического и эвристического характера.
- В проектной деятельности используются различные ресурсы, среди которых одним из наиболее важных являются знания проектировщика.
- Цель проектирования устанавливается вне процесса проектирования и остается неизменной в течение этого процесса.
- Процесс проектирования производит информацию, которая может быть использована в производстве.
САПР в процессе проектирования играет роль мощного средства, эффективное применение которого невозможно без разработки комплекса методических указаний и инструкций, регламентирующих последовательность этапов и используемых на каждом этапе. Поскольку на каждом этапе автоматизированного проектирования осуществляются различные операции с материальными и нематериальными (информационными) объектами, а также возникает проблема наиболее эффективного распределения этих операций во времени и оптимального соотнесения в пространстве с целью экономии трудовых и материальных ресурсов, то представляется целесообразной необходимость разработки и отработки технологии автоматизированного проектирования. Чтобы разработать технологию автоматизированного проектирования, необходимо тщательно изучить сам процесс проектирования.
Целью любого процесса проектирования является синтез конструктивного варианта объекта, в наибольшей степени удовлетворяющего требованиям технического задания. Процесс проектирования обычно начинается со сбора информации о спроектированных разновидностях объекта, результатах выполненных научно- исследовательских работ, сбора данных об испытаниях аналогов, условиях снабжения материалами и т. д.
На основании анализа технических характеристик, условий изготовления и эксплуатации прототипов проектируемого объекта, выявления тенденций развития объектов рассматриваемого класса составляется и корректируется с учетом нормативных документов исходное техническое задание на проектирование. На начальных стадиях проектирования требования технического задания конкретизируются в виде системы ограничений, которым должны удовлетворять характеристики объекта, обеспечивающие успешное решение проектной задачи. Комплекс требований к объекту можно представить в виде множества T={ti, i= 1, 2, ..., N) , где N — число требований.
По заданному вектору требований производятся формирование и сравнение альтернативных вариантов проектных решений.
Каждый вариант представляет множество характеристик Х={x, j=1, 2, ...,М). Отдельные элементы этого множества могут совпадать с соответствующими элементами множества требований, другие могут быть связаны косвенно. В общем виде Μ≠Ν.
На этапе формирования списка вариантов требуется варьирование характеристик проектируемого объекта в области V=j=1, 2, ..., M), причем должно соблюдаться условие ХсК.
На данном этапе проектирования происходит отображение множества требований Т к проектируемому объекту на множество его характеристик X. Варианты полученного списка сравниваются между собой с использованием целевой функции Ц, экстремум которой соответствует оптимальному решению задачи проектирования. В качестве целевой функции принимается характеристика, наиболее полно отражающая эффективность проектируемого объекта или некоторый обобщенный критерий, включающий несколько характеристик. Таким критерием при проектировании, например, трансформаторов могут быть народнохозяйственные затраты на трансформацию электроэнергии.
Анализ процесса неавтоматизированного проектирования позволяет обнаружить в нем ряд нерациональных сторон:
необходимая для проектирования информация хранится на традиционных бумажных носителях в неупорядоченном для конкретной проектной задачи виде, что вызывает большие затраты времени на поиск и обработку этой информации;
не обеспечивается сквозной характер проектирования, что требует дополнительных трудовых ресурсов на стыковку, согласование отдельных проектных подзадач, выполняемых различными исполнителями;
область варьирования характеристик X объекта проектирования Сильно сужена из-за ограниченности временных ресурсов, что, как правило, приводит к нахождению неоптимального проектного решения;
существует большой объем проектных операций нетворческого характера (расчеты, изготовление технической документации, эскизов, чертежей и т. д.).
Рис. 1.7. Процесс принятия проектного решения:
I— сбор информации о проектируемом объекте; II— формирование задания на проектирование; III — формирование технического решения; IV—анализ проектного решения; V — формирование вектора варьируемых характеристик; VI — выбор критерия оптимальности; VII — критическая оценка проекта; VIII — формулировка новой концепции; IX — оформление проекта трансформатора; X — информационная база проектирования
Таким образом, можно констатировать, что неавтоматизированное проектирование — это процесс с высоким начальным уровнем энтропии, со случайно перемежающимися творческими и нетворческими операциями, с малой, предсказуемостью конечного результата. Схематично представляя этот процесс как последовательность этапов Zr и подэтапов zp (рис. 1.7), можно видеть, что на всех этапах единственными управляющими воздействиями являются действия проектировщика Yr и уР, которые в сильной степени определяются субъективными факторами (опытом, интуицией, степенью ответственности за конечный результат, самочувствием, степенью утомления, эмоциональным настроем, психологической инерцией и т. д.).
Радикальные отличия автоматизированного проектирования от неавтоматизированного состоят в следующем:
1. Полная систематизация всей информации и представление ее в виде наборов данных требуемой степени дискретности (элемента, набора данных, записи, файла, базы данных). Обозначим эти порции информации как ii.
- Четкая предопределенность этапов проектирования {Zr} и перечислимая альтернативность подэтапов {zp} .
- Однозначность или малая степень неопределенности управляющих воздействий {Уr} и {ур} на каждом этапе проектирования.
- Сквозной, последовательный характер процесса проектирования от первоначального замысла до получения окончательного проектного решения.
Формально процесс автоматизированного проектирования можно представить как последовательное преобразование некоторого первоначального информационного представления объекта посредством воздействий {Уr} и {ур} в конечное состояние, однозначно отображаемое на следующем этапе проектирования в {x*} , удовлетворяющее {t} ·
В качестве примера такого преобразования, выполняемого однозначно, можно привести процедуру формирования графа вычислительного процесса, которая является одним из начальных этапов автоматизированного проектирования любых объектов, в том числе и трансформаторов. Здесь в качестве i используется сжатая матрица инцидентности, устанавливающая информационные связи между всеми проблемными модулями, входящими в САПР, и всеми параметрами, описывающими трансформатор. Другой информационной конструкцией ί2' является набор данных, содержащий задание на проектирование. Обработка {i1', i2'} программными операторами сортировки {у1i} , расчленения {у2i} и упорядочения {у3i} массивов позволяет в качестве результата данного этапа получить граф вычислительного процесса i1", содержащий последовательность проблемных модулей, реализуемых при проектном расчете трансформатора, а также массив i2" с номерами параметров, задаваемых на расчет в качестве исходных данных.
Примером информационных преобразований в процессе проектирования, выполняемых неоднозначно, но с малой степенью неопределенности, могут служить интерактивные процедуры, строящиеся на основе диалога проектировщика с ЭВМ. Эти процедуры обеспечивают изменение исходных данных, корректировку системы ограничений, изменение алгоритма оптимизации или целевой функции, принятие конкретных проектных решений, выбор конструктивных исполнений объекта и т. д. Интерактивная процедура предусматривает анализ ограниченного числа альтернатив, закладываемых в программном обеспечении системы. Выбор проектировщиком наиболее эффективной альтернативы (задания управляющего воздействия yi) в соответствии с результатами проектирования, полученными на предыдущих этапах, позволяет реализовать определенную стратегию проектирования и получить результат. Принятие решений при реализации интерактивных процедур базируется не столько на опыте и интуиции проектировщика, сколько на оперативных рекомендациях, выдаваемых системой по ходу проектирования, а также на инструкциях, регламентирующих технологию автоматизированного проектирования. Это практически исключает неопределенность в получении окончательного результата.
Созданию интерактивных процедур предшествует отработка технологии автоматизированного проектирования, которая должна обеспечивать декомпозицию процессов проектирования до уровня элементарной проектной операции, выполняемой автоматически. При этом детальность или «глубина» интерактивного взаимодействия должна определяться проектировщиком, который при решении одних вопросов берет инициативу на себя, а при решении других — представляет свободу действий системе.
Таким образом, реализация технологии автоматизированного проектирования предъявляет к САПР комплекс следующих требований:
возможность формулировать решаемые проектные задачи из предметной области на различных языках, понятных проектировщику;наличие средств для эффективной корректировки заданий на проектирование с использованием простых форм входного языка .(таблиц, бланков и т. п.);
отсутствие жестких ограничений на структуру и объем входных данных и формы носителей информации, на которых они хранятся;
возможность оперативного подключения к программному обеспечению системы новых модулей и исключения устаревших;
представление возможностей проектировщику на основе промежуточных результатов принимать решение о выборе методов для продолжения проектной задачи, а также изменений значений отдельных параметров в используемом методе решения;
возможность в ходе выполнения проектных операций прослеживать значения основных показателей процесса, свидетельствующих о его эффективности, и в зависимости от их значений корректировать вычислительный процесс;
допустимость включения обучающих программ для повышения квалификации проектировщика;
обеспечение совместимости автоматизированного и неавтоматизированного видов проектирования.
