К главной странице

Блок имитации в структуре САПР

Сидельников А.И., инженер (НТФ Новые Технологии), e-mail:support@ntfnt.ru

Введение.

В условиях рыночной экономики вариант облика проектируемого объекта представляет собой товар и как следствие он может быть оценен экономическими показателями. В качестве факторов влияющих на экономические показатели варианта облика технического объекта выступают:

В условиях конкурентной борьбы проектирующие организации вынуждены инвестировать проекты по автоматизации самого процесса проектирования. О серьезности проблемы говорит тот факт , что продажа программного обеспечения направленного на автоматизацию процесса проектирования на мировом рынке программного обеспечения занимает четвертое место .

На территории Российской Федерации в условиях малого роста производства , как правило, автоматизация процессов проектирования обусловлена не экономическими факторами , а необходимостью выполнения самого процесса проектирования. Другими словами нишей для САПР на территории Российской Федерации являются очень трудоемкие задачи , которые не допускают для своего решения методов без использования средств вычислительной техники . В настоящий момент для исследования сложных систем наиболее действенным является метод имитационного моделирования /1/. Поэтому данная статья посвящена положению блока имитации в структуре САПР.

В западной литературе термин САПР (в английской нотации CAD) появился в конце 50-x годов, когда Д. Т. Росс начал работать над одноименным проектом в Массачусетском Технологическом Институте (Massachusetts Institute Technology). При этом CAD система рассматривалась только, как система геометрического моделирования.

Дальнейшая компьютеризация инженерной деятельности , привела к пониманию необходимости развития технологии комплексной автоматизации инженерной деятельности на всех этапах жизненного цикла изделия.

Эволюция CAD систем на западе привела к появлению четырех наиболее значимых классов прикладных систем , соответствующих понятию САПР в Российской классификации (см. ОТРАСЛЕВОЙ СТАНДАРТ ГОСКОМВУЗА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ):

Блок имитации входит в состав CAE – систем. Необходимо заметить , что для CAE-систем характерно два принципиально разных варианта построения:

Не случайно , типовая архитектура САПР отдельно выделяет блок имитации из остальных функциональных блоков САПР.

типовая архитектура САПР
Рис 1
Базовая архитектура САПР

 

Спецификой прикладных систем информатики типа САПР является тесная взаимосвязь технологии проектирования и автоматизированной системы:

Введение блока имитации в состав САПР позволяет перейти от “механической автоматизации“ проектных работ на новый качественный уровень проектирования.

Выигрыш в качестве достигается, во первых, за счет возможности решения более сложных задач и во вторых за счет увеличения степени типизации принимаемых проектных решений. Типизация заключается в том, что при увеличение мощности множества рассматриваемых альтернатив инженер может использовать одинаковую методику. Поэтому он может применять знакомые для него средства , реализующие данную методику. А как известно степень типизации процессов протекающих при проектирование будет влиять на стоимость всего процесса проектирования. По оценкам экспертов стоимость проектирования вследствие типизации проекта может уменьшаться в 3,3 раза. Данная оценка относится к так называемым “ уникальным объектам ”, используемым в тяжелом машиностроение.

Использование имитационного моделирования позволяет упростить процесс экспертизы полученных проектных решений. Прозрачность экспертизы позволяет привлечь инвесторов к финансированию проекта, что в условиях, когда стоимость объекта проектирования может достигать сотен и тысяч долларов является необходимым условием осуществления самого проекта.

Кроме того, использование модуля имитации в процессе проведения экспертизы проектов сокращает время экспертизы.

Построение имитационной модели предметной области.

Задача построения имитационной модели предметной области САПР не является тривиальной задачей , необходимо , как минимум , выполнить следующие действия:

Если математические имитационные модели каждого в отдельности агрегата системы сильно зависят от предметной области САПР, то при создании формальной модели взаимодействия агрегатов могут быть использованы типовые математические схемы. Эффективность использования типовых математических схем для моделирования растет с повышением сложности моделируемой системы. Так как в этом случае существенно облегчается процесс технической реализации разработанной модели.

На данном этапе разработки модуля имитации целесообразно выполнить серию вычислительных экспериментов связанных с особенностями машинной реализации модели. В процессе имитационного моделирования может генерироваться или использоваться большой объем информации , вследствие чего затраты машинного времени будут так велики , что разработанная модель будет технически не реализуема. В ряде случаев уменьшение объема необходимой информации не возможно , так как , иначе получаемые оценки будут не соответствовать требуемой точности проекта. Выходом из создавшегося положения может являться внесение изменений в алгоритмы моделирования или использование специализированных ЭВМ. Особенности ПЭВМ таковы , что время доступа к оперативной памяти на несколько порядков выше, чем время доступа к жесткому диску /2/ поэтому старайтесь там где это возможно использовать оперативную память вместо жесткого диска.

При невозможности смены алгоритмического базиса и приобретения специализированного оборудования могут использоваться приближенные методы. Согласно которым сначала выполняются уменьшенные расчеты (укороченный ряд) на полной и упрощенной модели, затем ищутся поправочные коэффициенты. С помощью которых корректируются результаты моделирования, получаемые с использованием упрощенной модели и полных рядов.

Синтез облика проектируемого объекта.

Основной задачей САПР является синтез облика проектируемого объекта /4/. Поэтому после формирования алгоритмического базиса имитационной модели и выполнения экспериментов, связанных с особенностями машинной реализации можно приступать к построению процедуры синтеза.

На базе разработанного модуля имитации можно осуществить два варианта синтеза облика проектируемого объекта:

В дальнейшем для различия данных вариантов синтеза первый вариант синтеза будем называть “машинный синтез” .

Первый вариант синтеза является наиболее эффективным, однако он является менее гибким и требует для своей реализации предварительного этапа исследования . В процессе исследования должна быть определена целевая функция и выбран метод ее оптимизации. Для выбора метода оптимизации необходимо провести дополнительно исследования особенностей функционирования моделируемого объекта.

Так как САПР является многоцелевой системой , то не исключен вариант, что для некоторых предметных областей должно быть определенно множество целевых функций. При большой мощности множества альтернатив наличие большого количества оптимизируемых переменных и различных вариантах соединения элементов модели внутри схемы) написание отдельной процедуры оптимизации по каждому варианту модели не эффективно. Поэтому вариант машинного синтеза требует использования некоторого типового механизма выполнения синтеза. В частности может быть использована схема приведенная ниже:

Вариант архитектура для выполнения машинного синтеза
Рис 2
Схема реализации машинного синтеза

Выше приведенная схема содержит все основные элементы присущие трансляторам /3/ , отличие заключается в том , что семантический анализ в данном случае предшествует синтаксическому. Так как в отличие от трансляторов, где программист задает последовательность выполнения операций, при машинном синтезе сама программа должна определять последовательность действий.

Лексический анализатор в выше приведенной схеме производит просмотр матрицы содержащей описание используемых в схеме элементов (матрицы схемы). Затем на базе данной информации осуществляется просмотр модуля данных содержащего информацию по параметрам, которые необходимо оптимизировать (соответствующий модуль данных формируется до запуска программы). Результатом этого является ряд матриц содержащих определенные условные коды, то есть формальную запись решаемой задачи.

Одной из формируемых матриц является матрица значений , данная матрица содержит признак переменной и ее текущее значение.

Блок семантического анализа выполняет изменение элементов матрицы значений в зависимости от признака переменной , результатов предыдущих итераций и цели оптимизации .

Получив новые значения, блок синтаксического анализа меняет соответствующие данные имитационной модели и.т.д.

Блок дешифрации переводит формальную запись решения в форму понятную инженеру.

В случае если для осуществления машинного синтеза используются методы решения экстремальных задач , то необходимо определить данные характеризующие процесс оптимизации :

Второй вариант синтеза является наиболее простым и наиболее часто используется при проектирование. В данном варианте автоматизации подвергается не весь процесс синтеза, а только отдельные процессы, возникающие в рамках синтеза. Инженер сам принимает решение о последовательности использования данных процедур для осуществления синтеза. Даже при изменение цели проектирования в рамках новой цели часть функций по обработке данных остается неизменной . Поэтому остается возможность повторного использования уже автоматизированных процессов. Данный факт особенно важен потому , что САПР , как правило, это многоцелевая система и выделить все возможные варианты постановки задачи маловероятно.

Для осуществления второго варианта синтеза необходимо определить набор интегральных показателей , анализ значений которых в дальнейшем позволит выполнить синтез облика объекта.

При этом , как и при выборе имитационной модели , необходимо учитывать увеличение затрат машинного времени на моделирование связанное с обработкой дополнительной информации .

Выбор средств реализующих разработанную модель.

В качестве средства реализующего варианты имитационных моделей в настоящий момент на рынке готового программного обеспечения можно выделить продукт фирмы MathWorks, Inc “MathLab”. Для построения более сложных имитационных моделей может быть использован один из программных языков общего назначения с использованием СУБД.

При внедрение средств имитационного моделирования в проектирующей организации необходимо в первую очередь обращать внимание на следующие характеристики:

Первый фактор обуславливает возможность применения имитационного пакета к вашей предметной области. Второй фактор связан с возможностью выполнения синтеза проектируемой системы . Третий и четвертый фактор наиболее сильно оказывают влияние на затраты машинного времени.

Заключение.

На взгляд автора при вводе модуля имитации в САПР на начальных этапах должен использоваться второй вариант синтеза, а лишь затем возможен вариант перехода к машинному синтезу. Так как несмотря на то , что первый вариант синтеза наиболее быстр и точен , он и более чувствителен к изменениям цели проектирования. Второй вариант в отличие от первого не так быстр, но более приспособлен к вариантам изменения целей проектирования.

Введение блока имитации в структуру САПР с позиции проектирующей организации объясняется:

С позиции эксперта, инвестора или заказчика использование блока имитации объясняется:


Вы можете заказать нам разработку необходимого вам программного обеспечения.

Список литературы:

  1. Советов Б.Я.,Яковлев С.А.,Моделирование систем., М.:Высшая школа, 1998.
  2. Аппаратные средства PC, Айден К., Фибельман Х., Крамер М., СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 1996.
  3. Системное программирование - основы построения трансляторов. Компаниец Р.И., Маньков Е.В.,Филатов Н.Е., Санкт-Петербург, Корона 2000.
  4. Интеллектуальные системы принятия проектных решений. Алексеев А.В., Борисов А.Н., Вилюмс Э.Р., Слядзь Н.Н., Фомин С.А. - Рига : Зинатне, 1997г.