Частьтретья ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Глава 20

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ и СТРУКТУРА СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ САМОЛЕТОВ

20.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ САПР

Элекгронные вычислительные машины (ЭВМ) уже свыше 20 лет довольно широко применяются в практике проектирования самолетов. С момента появления ЭВМ они были использованы как средство, позволяющее существенно повысить производительность труда при выполнении трудоемких вычислений, связанных с расчетами траекторий самолета, его аэродинамических характеристик, расчетами на прочность и др.

Разработка теоретических основ оптимального проектирования, успехи в области вычислительной техники и программирования (практически неограниченный объем машинной памяти, режим разделения времени, средства диалогового взаимодействия человека и ЭВМ, модульный принцип программирования н т. д.) поставили на реальную почву проблему создания систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих реализовать такие важнейшие достоинства применения ЭВМ в проектировании как:

- возможность быстрого и эффективного выполнения большого объема математических операций по многоразовым и легко генерируемым программам;

- возможность хранения и передачи большого объема информации в виде, доступном для быстрого извлечения и засылки данных;

- возможность визуализации результатов проектирования (как окончательных, так и промежуточных) с помощью средств машинной графики;

- возможность общения проектанта с ЭВМ в режиме диалога, обеспечивающем непрерывность творческого процесса, свойственного проектированию.

Накопленный опыт использования вычислительной техники при решении сложных научно-технических задач показал, что решение актуальной проблемы сокращения сроков и повышения качества проектирования возможно только на базе комплексного подхода, объединяющего достижения в области вычислительной техники G успехами в развитии теории и методов проектирования. Именно такой путь привел к разработке САПР в их современном понимании. При создании САПР предусматривается возможность их взаимосвязи с другими автоматизированными системами, используемыми при разработке и производстве новой техники (автоматизированными системами управления, автоматизированными системами технологической подготовки производства и др.).

САПР - это организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного о подразделениями проектной организации, и выполняющая автоматизированное проектирование*.

Назначение САПР - повышение качества и техннко-экономического уровня проектируемых изделий, сокращение сроков и уменьшение трудоемкости проектирования, а также повьщ1ение качества проектной документации.

Разработка и внедрение САПР позволяют преодолеть диалектическое противоречие между усложнившимся содержанием процесса проектирования современных объектов авиационной техники н существующими методами проектирования и организационными формами, в которых осуществляется процесс проектирования.

* Приведенное определение и терминология по САПР со01ветствуют ГОСТ 22487-77 и ГОСТ 23501.0-79.

Основная цель внедрения САПР - повышение производительности труда в проектно-конструкторских организациях за счет сокращения сроков разработки и затрат на создание самолета прн одновременном повышении технико-экономических показателей проектируемого самолета. К повышению производительности труда приводят:

- значительное ускорение расчетных операций и операций по обработке графической информации;

- увеличение скорости передачи информации между подразделениями проектной организации и сокращение сроков ее согласования;

- ускорение процесса подготовки проектной документации;

- частичная замена натурных экспериментов и макетирования моделированием на аналого-цифровых вычислительных комплексах;

- совершенствование организации груда специалистов, занятых рутинной работой (вычисления, обработка текстовой и графической информации), а также специалистов информационно-справочных служб;

- уменьшение объема испытаний и доводки опытных образцов авиационной техники вследствие повышения качества проектирования и уровня прогнозирования ожидаемых результатов проектирования.

Перспективы повышения качества разрабатываемых проектов при использовании САПР основываются на использовании методов многовариантного проектирования и оптимизации для поиска рациональных вариантов и принятия решений, на совершенствовании управления процессом разработки проектов и повышении творческой активности проектировщиков вследствие освобождения их от работы, не требующей высокой квалификации.

Исходя из указанных выше задач САПР и целей ее внедрения, можно сформулировать основные требования к таким системам [19, 22]. Они должны обеспечивать:

1) участие САПР в проектировании на всех стадиях разработки самолета для: получения и обработки информации о проектируемом объекте, генерирования вариантов проектных решений и оценки их эффективности, обеспечения иерархической процедуры координации, согласования и принятия решений в рамках единого проекта, выдачи комплекта технической документации на изготовление элементов самолета;

2) возможность реализации различных концепций процесса проектирования и процедур принятия решения в нем, совершенствование процесса проектирования;

3) максимальные удобства для работы пользователя в системе за счет следующих возможностей;

-общение с ЭВМ с помощью привычных для проектировщика входных языков;

- диалоговая работа пользователя в системе при наличии режима пакетной обработки в качестве фоновой;

-- обработка и выюд графической информации; -- работа в реальном масштабе времени;

- обеспечение пользователей всей необходимой информацией (справочной, оперативной, архивной и т. д.);

4) параллельное ведение нескольких проектных задач о автоматическим распределением ресурсов системы между заданиями;

5) высокую надежность системы и легкость поддержания ее работоспособного состояния;

?возможность обучения пользователей в рамках системы, казанные требования могут быть реализованы, если при разработке САПР следовать определенным принципам, которые можно разделить на две группы; еистемные и функциональные. Поскольку САПР является сложной системой, то при ее разработке необходимо руководствоваться принципами системного подхода. Важнейшими из них являются: принцип включения, принцип системного единства, принцип развития, принцип комплексности, принцип информационного единства, принцип совместимости и принцип стандартизации.

Принцип включения предусматривает возможность включения САПР в более сложную систему - проектную организацию, которая и определяет требования к ее созданию, функционированию и развитию.

принцип системного единства заключается в том, что при создании, функ- циониройании и развитии САПР связи между входящими в нее подсистемами обеспечивают целостность системы.

Принцип раввитий состоит в том, что САПР разрабатываетси с учетом возможности ее постоянного развития путем расширения, совершенствования в обновления компонентов САПР и связей между ними.

Принцип комплексности предполагает обеспечение согласования и связности проектирования отдельных элементов и всего объекта в целом на всех стадиях проектирования с помощью соответствующих компонентов САПР.

Принцип совместимости заключаегся в обеспечении совместного функционирования всех подсистем САПР и сохранении открытой структуры системы в целом. Это достигается соответствующим согласованием языков, символов, информационных и структурных связей между подсистемами и компонентами САПР.

Принцип информационного единства состоит в том, чго в подсистемах и компонентах САПР необходимо использовать единую систему терминов, символов, условных обозначений, проблемно-ориентировочных языков программирования и способов представления информации, установленных в отрасли соответствующими нормативными документами.

Принцип стандартизации заключается в проведении унификации, типизации и стандартизации подсистем и компонентов, инвариантных к проектируемым объектам и отраслевой специфике, а также в установлении правил с целью упорядочения деятельности в области создания и развития САПР.

Функциональные принципы требуют от САПР таких свойств, как эргатич-ность, коллективность пользования, доступность и легкость освоении, произвольность осуществляемых стратегий проектирования, полная автоматизация рутинных работ.

Эргатичность системы обеспечивает возможность человеку играть активную роль в ней, т. е. в режиме оперативного диалога изменять входные данные и получать ответы из интересующие его вопросы, принимать решения по ходу выполнения задачи. Коллекшвность использования системы позволяет одновременную работу большого числа пользователей, причем как на индивидуальной основе, так и в рамках группы разработчиков, объединенных одной проектной задачей. Остальные функциональные принципы очевидны без разъяснений.

20.2. СТРУКТУРА И СОСТАВ СРЕДСТВ САПР

Рассмотрим кратко типовую структуру и состав средств САПР в объеме, необходимом пользователям и разработчикам прикладного программного обеспечения для эффективной работы 6 рамках САПР и определения направлений ее дальнейшего совершенствования.

Коллектив разработчиков проекта

Комплекс средств автоматизации проектирования

Коллектив обслуживающего персонала

Средства обеспечения

Информационные

Рис. 20.1. Укрупненная структура САПР

По определению основу САПР составляет комплекс средств автоматизированного проектирования. Этот комплекс состоит из средств технического, программного, информационного, методического и организационного обеспечения. Функционирование системы и выполнение ею проектных задач осуществляется на основе взаимодействия комплекса с коллективом разработчиков проекта и коллективом обслуживающего персонала.

Детальная структура САПР и состав средств, на которых она реализуется, зависит от специфики организационной структуры предприятия или организации, иа которой она создается, и класса разрабатываемых ими объектов. Общая же, укрупненная структура САПР представлена на рис. 20.1.

Коллектив разработчиков проекта включает в себя всех пользователей системы, осуществляющих операции по проектированию, конструированию и технологической подготовке производства самолета. Коллектив обслуживающего персонала обеспечивает нормальное функционирование комплекса средств автоматизированного проектирования и совместно с коллективом разработчиков проекта его дальнейшее развитие в целях совершенствования процесса проектирования.

Рассмотрим назначение и структуру средств автоматизированного проектирования.

20.2.1. Средства технического обеспечения

Средства технического обеспечения САПР, образующие комплекс ее технических средств (КТС), включает в себя набор аппаратных средств вычислительной и оргаинзациониой техники, предназначенных для ввода информации в систему, обработки, передачи н хранения информации, а также для ее вывода во внешнюю среду. В состав КТС входит также вспомогательное оборудование, предназиачеииое для обеспечения нормального функционирования комплекса (ремонтно-диагностическое оборудование, блоки энергопитания, системы кондиционирования и т. д.).

Ядром КТС являетси центральное обрабатывающее устройство ЭВМ, в которое входят центральные процессоры, системы памяти н аппаратура связи и телекоммуникации (каналы связи). Посредством канального оборудования к центральному процессору может подключаться в различных комбинациях следующее периферийное оборудование, предназначенное для ввода - вывода, передачи и хранения информации:

- накопители на магнитных барабанах;

- накопители иа магнитных дисках;

- накопители на магнитных лентах;

- устройства ввода - вывода с перфокарт;

- устройства ввода - вывода с перфолент;

- алфавитно-цифровые печатающие устройства;

- электрические пишущие машинки для связи операторов с ЭВМ;

- графопостроители планшетного и рулонного (барабанного) типов;

- алфавитно-цифровые и графические дисплеи с дополнительным оборудованием для ввода символьной и графической информации (например, клавиатуры, световые перья, ручки управления);

- устройства телеобработки данных, включая мультиплексоры (устройства, осуществляющие управление и переключение внешних каналов ЭВМ), комплекты аппаратуры передачи данных (модемы, осуществляющие модуляцию и демодуляцию сигналов в аппаратуре передачи даииых по каналам связи, устройства защиты от ошибок, вызывные устройства), абоиеитские пульты (включая абонентские пульты на базе мини-ЭВМ).

К этому же типу оборудования относятся устройства подготовки данных для различных машинных носителей (перфокарт, перфолент, магнитных лент) и их расшифровки.

Часть из названных средств входит в состав стандартного периферийного оборудования ЕС ЭВМ, Другая - включается в состав КТС САПР из номенклатуры средств, разрабатываемых специально дли систем автоматизированного проектирования. К таким средствам относятся графопостроители, дисплеи, устройства оптического считывания документов, устройства считывания графн-

18 -

Рис. 20.2. Структура комплекса технических средств САПР:

I - центральный процессор; 2 - основная оперативная память; з - дополнительные процессоры; 4 - устройства расширения памяти ЭВМ; 5 - каналы ввода - вывода информации; 6 - консоль оператора ЭВМ; 7 - накопители на магнитных лентах; 8 - внешняя память на магнитном диске; 9 - устройства выдачи данных иа перфоленту; 10 - днсплен; - графопостроители, управляемые непосредственно от ЭВМ; 12 - вспомогательная мини-ЭВМ или устройства буферной памяти; 13 - графические дисплеи без буферной памяти; 14 - телетайпы; /5 - устройства выдачи данных на микрофильм; 16 - алфавитно-цифровое печатающее устройство; 17 - устройства выдачи данных На перфокарты и ввода данных с перфокарт; 18 - контрольная приставка для получения изображения на дисплее; 19 - автономные графопостроители; 20 - средства автоматического программирования; 21 - выносные дисплеи для отображения графической

информации

ческой информации (диджитайзеры), устройства ввода - вывода речевой информации.

Устройства, включаемые в состав КТС САПР, объединяются в многомашинный вычислительный комплекс, структура н состав которого определяются конкретными условиями разработки и нспользовання САПР.

Устройства подготовки ннформацин ее ввода и вывода, а также хранения оперативной информации образуют автоматизированные рабочие места (АРМ) конструктора или терминальные пункты САПР.

На рнс. 20.2 в качестве примера представлена типовая структура комплекса технических средств системы автоматнзнрованного проектирования третьего поколения. щ grsisup

Для успешной реализации задач автоматизированного проектирования КТС должен удовлетворять рядутребований. Так, центральная ЭВМ должна обладать производительностью не менее 1 млн. операций в секунду, оперативной памятью не менее 1 мегабайта н памятью на устройствах прямого доступа не менее 200 мегабайт. Должна быть предусмотрена возможность наращивания конфигурации комплекса путем организации многопроцессорных комплексов и увеличения номенклатуры периферийных устройств. Указанным требованиям отвечают вычислительные комплексы на базе единой системы электронных вычислительных машнн (ЕС ЭВМ) н агрегатной системы средств вычислительной техники (АСВТ). Они обладают широкой номенклатурой программносовместнмых ЭВМ н различного периферийного оборудования. Отличительной особенностью этих ЭВМ являются универсальность, адаптируемость к применению, способность к наращиванию вычислительной мощности в большом диапазоне, что очень важно для САПР.

20.2.2. Средства программного обеспечения

Средства программного обеспечения (ПО) - это комплекс программ, обеспечивающих функционирование КТС САПР, рациональное использование ресурсов вычислительной системы и ее адаптируемость к условиям различных применений для подготовки, отладки и решения проектных задач. Программное обеспечение САПР принято делить на стандартное (базовое) ПО и нестандартное (прикладное) ПО.

В состав стандартного ПО входяг программные средства, поставляемые вместе с ЭВМ или находящиеся в рамках пользователей вычислительных машнн, например ЕС ЭВМ. Они предназначены для организации работы вычислительного комплекса как универсальной системы обработки данных. В их число входят операционные системы, системы программирования, комплексы программ технического обслуживания и диагностики КТС, сервисные Программы, а также пакеты прикладных программ. Операционные системы осуществляют планирование вычислительного процесса и общение пользователя с ЭВМ. Задачей систем программирования является перевод записи программ с языка пользователя на машинный язык. Сервисные программы предназначены для облегчения отладки программ и решения организационных вопросов. К пакетам прикладных программ относятся;

- пакеты, расширяющие возможности основных операционных систем, например, для обеспечения работы ЭВМ в новых режимах (режим разделения времени, режим реального времени);

- пакеты общего назначения для решения типовых научных, инженерных и экономических задач;

- пакеты специального назначения (например, для обеспечения работы мультипроцессорных и многомашинных систем, обслуживания специальных периферийных устройств).

Стандартное ПО, представляя собой базу САПР, не позволяет, однако, решать конкретные проектно-конструкторскне задачи.

Нестандартное ПО включает в себя программные средства, реализующие функциональные возможности САПР и являющиеся предметом разработки в рамках создания конкретной САПР.

В состав нестандартного ПО входят: пакеты программ, реализующие отдельные проектные операции и процедуры, связанные с разработкой проекта самолета (расчет аэродинамических характеристик, весовой расчет, прочностные расчеты н т. д.); пакеты программ диалогового взаимодействия пользователя с ЭВМ; операционная система (управляющая программа) автоматизированного проектирования, объединяющая пакеты программ в единый комплекс и осуществли-ющая управление процессом проектирования.

Структура и состав нестандартного ПО САПР самолета будут рассмотрены в следующей главе.

20.2.3. Средства информационного обеспечения

Проектирование - это прежде всего целенаправленная обработка информации, и одной из важнейших функций САПР является создание и поддержание средствами вычислительной техники динамической информационной модели проектируемого объекта и обеспечение удобного доступа к ней со стороны пользователя или коллектива пользователей с целью исследования модели и получения отчетности о ее состоянии.

Информационное обеспечение САПР - это совокупность всех необходимых для проектирования данных, оформленных в виде документов, содержащих описания стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов, материалов, комплектующих изделий и т. д.

Информация вне ЭВМ циркулирует и хранится в виде информационных документов. Информация в ЭВМ хранится в базах данных. Для управления базами данных разрабатывается специальный программный аппарат - система управления базами данных (СУБД). СУБД обеспечивает выполнение функций нормирования и преобразования баз данных и накопление в них информации.