Общая характеристика проблем автоматизации проектирования

Под термином «проектирование» обычно по­нимается процесс создания проекта – прототипа, прообраза предполагаемого или возможного объекта. Проектирование, при котором происходит взаимодействие человека и ЭВМ называют автоматизированным. Объектами проектирования могут быть и технические системы, такие, как самолет, ракетный ком­плекс, корабль, и народнохозяйственные, экономические систе­мы и т. д.

Сложность проектируемых объектов. Сложность используемой и, главным образом, создающейся техники, сложность используемых технологий, транспортных и производственных связей непрерывно растет (принято говорить об экспоненциальном росте характеристик сложности). В этом и состоит главная особенность развития производственной деятельности на современном этапе.

Конструкции, которые создают инженеры, все в большей степени используют знания, добываемые в смежных науках. Объединение радиоэлектроники, тепловых процессов, газовой динамики и многого другого при создании одной конструкции является типичным для современного энергетического машино­строения, ракетостроения, самолетостроения. Резкое усложнение всевозможных производственных связей, технологий, переход к новым материалам качественно усложняют работу проекти­ровщика производственного комплекса, в результате чего его сегодняшняя деятельность качественно непохожа на проектную работу пятидесятилетней давности.

По оценкам специалистов сложность продукции машиностроения выросла в среднем в шесть раз за последние три де­сятилетия. А как изменился арсенал средств, используемых конструктором, и сами процедуры проектирования? Очень не­много. Вот почему усложнение проектируемых конструкций приходит в противоречие с традиционными принципами проектирования, которые всегда предполагали, что главный конструк­тор имеет возможность целостного представления о проекти­руемой конструкции.

Поскольку физиологические возможности человека ограни­чены, а сложность создаваемых конструкций непрерывно ра­стет, то очевидно, что однажды этот тезис перестает быть спра­ведливым. В последние десятилетия мы начинаем все чаще сталкиваться с ситуациями, когда главный конструктор или руководитель проекта уже не может эффективно вмешиваться в процесс проектирования. Из творца, создателя конструкции; он превращается, в лучшем случае, в хорошего администра­тора.

Поэтому на повестку дня выдвигается проблема принципиального изменения всей технологии проектирования — проблема автоматизации проектирования. Ее особенность — широкое использование информационных технологий, т.е. современных способов обработки информации и представления ее в таком виде, который позволил бы конструктору, проектировщику до конца использовать свои твор­ческие возможности. В последние годы этой проблеме уделяется все большее и большее внимание, причем такое явление характерно для всех индустриально развитых стран, создающих сложные образцы техники и реализующих проекты сложнейших народнохозяйственных комплексов. Постепенно автома­тизация проектирования стала одной из областей наиболее перспективного использования вычислительной техники и методов междисциплинарных исследований процессов разной физической природы.

Анализ и синтез процесса проектирования. Для успешного решения всякой сложной проблемы необходимо её расчленить, на отдельные, более простые. Точно так же и сложный проект требует расчленения процесса проектирования на проектирование отдельных подсистем и агрегатов, разделения обязанностей между различными конструкторами, проектировщиками и исследователями-расчетчиками. Такое положение возникло уже давно: создание проекта самолета, крупной водохозяйственной или технологической системы — это всегда дифференцированный труд большого коллектива.

Но расчленение проблемы необходимо предполагает и обратный процесс — процесс объединения, согласования характеристик отдельных частей системы, синтеза, который дает возможность представить конструкцию в целом, оценить ее разно­образные качества и соответствие замыслу.

Расчленение процесса проектирования поначалу не вызыва­ла проблем. Возьмем, например, такую техническую систему, как самолет. Проектирование планера естественным образом отличается от выбора и проектирования двигателя. Аэродина­мические и прочностные расчеты делают представители раз­личных профессий и т. д. Такая неё ситуация наблюдалась всю­ду. И всюду постепенно возникали традиционные формы раз­деления труда.

Долгое время и процесс синтеза проекта также не вызывал особых проблем: по мере усложнения проектируемых конструкций совершенствовались и методы проектирования. Но с тече­нием времени все чаще эти традиционные методы проектиро­вания стали давать сбои.

Прежде всего, начали недопустимо удлиняться сроки проек­тирования. Но это было бы еще полбеды. Хуже то, что на испытания стали поступать конструкции, все менее и менее соответствующие замыслу, и у конструктора до начала испыта­ний не оказывалось возможности достаточно хорошо проверить, насколько созданные им машина или технологический комплекс соответствуют замыслу. В результате — неизбежные переделки, резкое удорожание конструкции и удлинение сроков реализации замысла до десятилетий. А это означает, что в строй вводится конструкция (или технология) уже устаревшая, отвечающая техническому уровню минимум десяти — двадцатилетней дав­ности.

Анализируя эти явления, мы убеждаемся в том, что основ­ные трудности связаны с синтезом, с увязкой всего много­образия особенностей будущей конструкции. Эти трудности растут экспоненциально вместе с ростом размерности, т. е. коли­чества параметров, которые определяют конструкцию. Квали­фикация проектировщиков здесь мало чем может помочь: традиционная технология в принципе не может справиться с возрастающей сложностью проекта, и надо менять технологию проектирования.

Возникновение и формирование концепций автоматизиро­ванного проектирования происходило примерно по следующей схеме.

Сначала начали автоматизировать чертежные работы — эту очень трудоемкую часть любого процесса проектирования. По­явились чертежные автоматы. Они, конечно, оправдали затра­ченные средства. Однако ничего принципиально улучшающего проект или ускоряющего его Окончание они не внесли, да и не могли внести.

Одновременно шло широкое внедрение в практику инженерных расчетов (например, прочностных, гидравлических, аэро­динамических характеристик и т. д.) методов машинной ма­тематики. Эти методы существенно усовершенствовали разно­образные процедуры проектных расчетов, свели к минимуму возможные ошибки, повысили общую культуру проектирования, однако также не привели к какому-либо существенному сокра­щению сроков проектирования.

Надо заметить, что с использованием ЭВМ для проведения инженерных и плановых расчетов были связаны большие на­дежды. Но они во многом не оправдались. Конечно, в этом была вина не ЭВМ, а специалистов, которые еще не научились их использовать. Фактически долгое время ЭВМ играли роль больших арифмометров. С их помощью быстрее и точнее решались отдельные инженерные задачи, но серьезно повлиять на судьбу проекта, заметно ускорить окончание работы и улучшить ее качество они еще не могли.

Следующий этап — создание автоматизированных рабочих мест конструктора. Это — уже новый уровень мышления. Рабо­чие места оказывались непосредственно связанными с ЭВМ, которая заменила конструктору традиционную линейку или арифмометр, появились простейшие дисплеи, позволившие кон­структору реализовать обратную связь с ЭВМ. Идея автомати­зированных рабочих мест появилась в конце шестидесятых го­дов, одновременно с появлением систем разделения времени. С их внедрением также было связано немало надежд. И хотя эти надежды далеко не все оказались оправданными, затраты на создание автоматизированных рабочих мест, конечно, вполне окупились результатами. Одно то, что они потребовали зна­чительного повышения квалификации и общей эрудиции кон­структора, уже давало многое. Еще одним важным следствием появления автоматизированных рабочих мест было внедрение идей диалога-ЭВМ — конструктор. Это была важная характе­ристика определенного этапа развития идей автоматизирован­ного проектирования. До сих пор с ЭВМ работал математик — это он решал задачи, в которых нуждался конструктор. Теперь же сам конструктор получал возможность сидеть за терминалом электронной машины. Это не могло не сказаться на качестве проектов.

Однако и автоматизация рабочих мест конструктора, которая произошла в ряде стран в начале семидесятых годов, также не решила основной проблемы. Сроки между возникновением замысла конструкции и ее реализацией по-прежнему оставались значительными. Конструкции (или их опытные образцы), предъ­являемые к испытаниям, требовали в процессе испытаний мно­гочисленных и трудных доделок, а подчас и существенного из­менения.

Во всех тех ситуациях, когда проверочных испытаний не существует, например, при создании промышленных комплек­сов, дефекты проекта (которые просто невозможно обнаружить до тех пор, пока замысел не реализован) могли оборачиваться подчас трагедией. Да иначе и быть не могло, ибо рабочие ме­ста конструктора — это лишь часть общей системы проектиро­вания.

Стала очевидной необходимость создания взаимоувязанной системы проектирования, включающей и систему программ для инженерных расчетов, и автоматизированные рабочие места, и разнообразные диалоговые процедуры, и, конечно, автоматиза­цию всех графических работ. Сейчас во многих странах ведется интенсивная работа в области создания и ввода в строй подоб­ных автоматизированных систем проектирования.

Пока еще рано подводить итоги, говорить о результатах эксплуатации таких систем и об их эффективности. С их вво­дом связывают большие надежды, поэтому автоматизирован­ное проектирование переживает определенный бум.

Математическое обеспечение проектных решений. Прежде всего, для автоматизированного проектирования необходима весьма совершенная вы­числительная техника совместно с развитой системой ее кол­лективного использования. Системы проектирования, как они задумываются сегодня, требуют коллективного использования банков данных, систем моделей и программ. Создание специализиро­ванного математического обеспечения потребует также многих и многих лет упорной работы многочисленных коллективов вы­сокой квалификации: по современному представлению, любая система автоматизации проектирования—это прежде всего сложнейшая имитационная система.

Поясним содержание некоторых трудностей, которые встают перед специалистами, которые занимаются проблемами ис­пользования ЭВМ в проектировании. Предположим, что в на­шем распоряжении есть совершенный вычислительный ком­плекс и с его помощью мы хотим определить (выбрать) ха­рактеристики создаваемой конструкции. Но эффективность лю­бой сложной конструкции, будь то промышленный комплекс, самолет или водохозяйственная система, определяется тысяча­ми различных параметров. Не будем же мы перебирать все возможные сочетания этих параметров в режиме слепого диа­лога! Любая ЭВМ, даже гипотетической мощности, для этого окажется чересчур слабой. Значит, прежде всего, должен быть экономный способ организации поиска наилучшего варианта.

По существу, сказанное и означает необходимость создания специальной системы правил и алгоритмов, которые составят основу новой технологии автоматизированного проектирования сложных объектов. Без создания новой технологии системы автоматизированного проектирования, подобно автоматизиро­ванным рабочим местам, будут полезным инструментом, кото­рый, конечно, усовершенствует процесс проектирования, но вряд ли внесет в него те изменения, которые его качественно улучшат.

Итак, центральная задача в создании систем автоматизиро­ванного проектирования — это разработка новой технологии проектирования. И, конечно, разработка такой технологии уже начата во многих КБ и проектных организациях, где создаются и начинают использоваться подобные системы. Приспособление конструкторов, проектировщиков к новой технике, использова­ние нового математического обеспечения — элементы этой ро­ждающейся технологии. Но ее создание носит в значительной степени интуитивный характер и не превратилось пока в целе­направленные совместные исследования инженеров-проктировщиков и математиков.

С чего должна начинаться подобная деятельность? Вот как отвечает на такой вопрос один из ве­дущих конструкторов самолетов, покойный ныне П. О. Су­хой. Ответ был совершенно однозначный: «Вы, машинные ма­тематики, должны помочь прежде всего мне — генеральному конструктору. Вместе со мной вы должны разработать такую методику проектирования, которая позволяла бы уже на самых ранних этапах проектирования достаточно правильно выбрать основные параметры конструкции и оценить различные харак­теристики ее эффективности и на протяжении всего процесса проектирования контролировать изменение этих характеристик так, чтобы в результате предъявить к испытаниям конструкцию, уже не требующую доводок. Ошибку, которую допустит кон­структор при «завязке» проекта, уже не исправить совершен­ством инженерных расчетов и чертежными автоматами».

По-видимому, эти принципы — основополагающие. И их реа­лизация может действительно решающим образом улучшить существующее положение с проектированием сложных объектов. В то же время надо отдавать себе отчет в том, что задача эта далеко не проста, работа над созданием САПР – это постоянная форма деятельности многих коллективов. Сегодня пока может идти речь лишь о некоторых упрощённых вариантах САПР в приоритетных областях современный техники (военная, аэрокосмическая, микропроцессорная, систем массового обслуживания и др.)

Неформальные процедуры процесса проектирования. Теперь сделаем несколько замечаний о «теории» неформаль­ных процедур и ее применимости к проектированию сложных технических конструкций. Создание сложных технических кон­струкций, подобных производственному комплексу, самолету, электронной машине, — это прежде всего творческий акт, и он не может быть никогда до конца формализован. Этот факт мы будем считать аксиомой и из неё будем исходить. Следует заме­тить, что целый ряд специалистов, как за рубежом, так и у нас полагают, что акт творчества в проектировании в значительной степени может быть заменен специально организованной си­стемой обработки статистического материала. Статистическая обработка параметров существующих (или возможных) конструкций, конечно, очень важна, и ее ни в коем случае не сле­дует недооценивать. Но ее недостаточно в принципе. Исполь­зование только одного статистического материала позволяет создать конструкцию, лишь имеющую аналоги в отдельных технических решениях, т. е. подобную (или близкую) уже су­ществующим. Действительно оригинальные конструкции, тре­бующие качественно новых технических решений, конструкции завтрашнего дня всегда требуют нетрафаретного мышления, смелости и таланта. Получать их на основе статистики невоз­можно— это тоже постулат, который мы примем. Но, приняв в качестве постулата невозможность полной формализации, надо сделать и следующий шаг — понять место и значение формаль­ных методов, т. е. методов, использующих математическое опи­сание решаемых задач, понять, чем и как они могут быть по­лезны конструктору, как они должны быть объединены с не­формальными процедурами.

Сегодня проблемы изучения и организации эвристических процедур привлекают внимание широкого круга специалистов. Уже сегодня существует достаточно прочная основа в накопленных знаниях и понимании предмета, позволяющая строить эвристические процедуры не только интуитивно.

При проектировании сложных конструкций важнейшим яв­ляется принцип разделения, о котором мы подробно говорили в предыдущей главе. Заметим, что этот принцип — принцип де­композиции— лежит, по существу, в основе всех технологий проектирования, если речь идет, конечно, о достаточно сложных конструкциях. И это легко понять, так как конструктор, как бы талантлив он ни был, может оперировать только с относи­тельно небольшим объемом информации (параметров, критериев и т. д.). Поэтому вся технология проектирования должна быть такой, чтобы каждому отдельному субъекту — участнику процедуры — приходилось решать только относительно простые задачи. Весь успех, в конечном счете, зависит от этого. Здесь же необходимо отметить еще одну особенность. Это разделение — декомпозиция — должно быть приспособлено и к сборке — синтезу. К сожалению, никаких общих рекомендаций здесь нет. В каждом отдельном случае иерархическая структура задач, решаемых проектировщиками, и внутренние связи между задачами должны изучаться и проектироваться специ­альным образом.

Поясним сказанное на примере проектирования самолета, хотя многое из того, что будет говориться ниже, справедливо для любых сложных конструкций. На вершине рассматривае­мой иерархии находится главный конструктор машины, и перед ним стоит проблема такого выбора (назначения) параметров, который бы обеспечил решение задач, поставленных заказчи­ком. Если речь идет о пассажирском самолете, то заказчик — Министерство гражданской авиации (ГВФ). Он хочет, напри­мер, иметь самолет для грунтовых аэродромов, который был бы лучше тех, которые он сегодня эксплуатирует, — ЯК-40, АН-24 и т. д. Если речь идет об истребителе, то заказчик хочет иметь самолет, который был бы лучше, существующих истребителей (в частности, побеждал бы в бою существующие истребители). Задача так и должна ставиться — это естественная постановка на естественном языке. Сформировать же некоторый функцио­нал F(х), зависящий от всех параметров самолета x, максими­зация которого гарантировала бы решение задачи, никакой ма­тематик или конструктор не в состоянии. Более того, в реально­сти функционал F(х) зависит не только от конструктивных параметров самолета х, но и от большого количества неопреде­ленных факторов у Î Y, характеризующих среду, в которой самолет будет функционировать (к факторам у относятся и конструктивные параметры объектов противодействия противника). Таким образом, F = F(х, у).

Тем не менее, объективно такой функционал существует до­статочно часто, во всяком случае, всегда, когда технический уровень промышленности и уровень знаний законов функцио­нирования конструкции позволяют в принципе создать подоб­ный самолет, т. е. если поставленная задача разрешима. В са­мом деле, если будут представлены две конструкции, то эксперт (заказчик, генеральный конструктор), проведя всесторонние испытания, сможет выбрать лучшую. Условия, когда это возможно, мы будем, называть условиями компетентности. Они означают, что у нас (точнее, у заказчика или конструктора) есть представление о том, что значит «лучше». Только в этих условиях имеет смысл решать задачу, и только в этих условиях мы можем выбрать лучшую конструкцию. Если заказчик или конструктор не могут из двух образцов выбрать лучший, то это означает, что либо эти конструкции равноценны, либо наш кон­структор не удовлетворяет требованиям компетентности, — в обоих случаях математик ничем не может помочь.

Таким образом, перед главным конструктором стоит, вообще говоря, непосильная задача выбора вектора параметров х, обеспечивающих максимум некоторой свертки Ф(х) функцио­нала F(х,у) по у, который мы не можем не только выписать в явном виде, но и описать на формальном языке.

Рассмотрев общие характеристики автоматизированного проектирования сложных объектов и систем, перейдём к изложению основ САПР, которые сформировались в науке о проектировании в настоящее время.

Дата добавления: 2014-01-05