Структурная организация систем проектирования и управления Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Структурная организация систем проектирования и управления

Артамонов Е.И., ИПУ РАН

Этапы развития средств автоматизированного проектирования и управления

Средства автоматизированного проектирования зародились практически с момента выпуска первых ЭВМ (50-60 гг. прошлого столетия), их развитие проходило по следующим основным этапам (рис.1): пакетная организация прикладных программ, создание проблемно ориентированных систем проектирования, совершенствование средств взаимодействия пользователей с системами, интеграция систем, использование средств виртуальной реальности.

Пакетная организация прикладных программ. На первом этапе из-за малого быстродействия ЭВМ, а также отсутствия средств компьютерной графики, средства автоматизации проектирования ограничивались пакетами прикладных программ. Решение любой задачи сводилось к написанию общей программы с обращением к конкретным процедурам пакетов прикладных программ, компиляции программы и после этого, ввод исходных данных и решение конкретной задачи. В это время, в первую очередь, решались задачи расчетного характера. Например, в области автоматизированного проектирования под руководством академика А.Я.Матюхина [1] был разработан язык функционального моделирования дискрет-

ных систем (МОДИС). МОДИС создавался на ЭВМ М-220 и длительное время эксплуатировался на единой серии ЭВМ, вплоть до появления персональных компьютеров. С появлением графопостроителей в 60-х гг. прошлого столетия возникла компьютерная графика, внеся революционные изменения в развитие всей вычислительной техники, в частности, программных средств геометрического моделирования. В разное время были созданы пакеты графических программ такие, как PLOT 10, Графор [2], Графал, ФАП КФ [3] и т.п. Идеология пакетов прикладных программ (ППП) сохранилась и до настоящего времени, несмотря на то, что в 70-х гг. прошлого века в промышленном применении наметился переход от ППП к проблемно ориентированным системам. ППП совершенствовались далее в направлении стандартизации, на их основе стали создаваться системы проектирования, отдельные алгоритмы стали реализовываться аппаратными средствами. Однако, на все это ушло около 40 лет.

К концу 70-х гг. прошлого столетия наступила эра проблемно ориентированных систем проектирования. Основными задачами, связанными с системной организацией средств проектирования, были разработка структур данных и их стандартизация, разработка принципов структурной организации систем и средств взаимодействия пользователей с системами. По структурам данных одним из первых стандартов обсуждался стандарт на графическое ядро GKS [4], затем IGES - 1982 г., ISO 10303 STEP - 1994 г. и т.п.

Средства взаимодействия пользователей с системами. Первые системы проектирования работали в пакетном режиме, т.е. в систе-

Рис. 1

му вводился пакет исходных данных. Анализировался результат и, если результат оказывался неудовлетворительный, то вся процедура повторялась. Каждая система имела собственный язык описания исходных данных [5], начали появляться специальные аппаратные средства, ускоряющие процесс ввода исходных данных, графопостроители постепенно заменялись графическими дисплеями. С начала 70-х годов прошлого века, с развитием средств взаимодействия пользователей с ЭВМ применительно к компьютерной графике и системам автоматизированного проектирования, появилось понятие "интерактивные системы (ИС)" [6], которые в реальном времени отрабатывали каждый оператор входного языка. С совершенствованием устройств ввода отпала необходимость вводить операторы входного языка в текстовом виде, достаточно было указать на значки, их заменяющие, в перечне, представленном на экране дисплея. В программном обеспечении наметился переход в структурной организации интерактивных систем от пакетов графических программ к программным системам. К этому времени в 80-х годах появились персональные компьютеры. Сформировалось понятие системной целостности программного обеспечения ИС, объединяющее процессорную часть, средства ввода-вывода информации и управления базами данных. Примерами таких систем являются: AutoCAD, SolidWorks, I-Deas и др.

Интеграция систем. С начала 90-х годов прошлого века появилось понятие CALS (Continuous Acquisition and Life-Cycle Support) — технологии непрерывного компьютерного сопровождения изделия на всех этапах его жизненного цикла от маркетинга до утилизации. CALS-технология отличается от традиционной технологии следующими особенностями: на всех этапах жизненного цикла изделия создается электронная документация, используется Единая обобшенная модель изделия и международные стандарты на форматы и структуры данных по обмену информацией об изделии. Кроме того,

CALS-технология предусматривает параллельную и территориально распределенную работу над создаваемым изделием. В соответствии с этой технологией на рынке появились интегрированные системы, охватывающие несколько этапов жизненного цикла изделий, например,

CAD/CAM, CAD/CAM/PDM и т.п..

В настоящее время области использования ИС существенно расширились, размерность решаемых задач резко возросла, а средства графического взаимодействия пользователя с ЭВМ (как технические, так и программные) стали более совершенными.

Сложность задач 3-D моделирования и анимации в реальном времени предъявляют все более высокие требования к производительности и объемам памяти вымислительных систем. Под эти требования быстрыми темпами совершенствуется архитектура процессорной части вычислительных систем, средства 2-D и 3-D визуализации высокого и сверхвысокого разрешения, графические процессоры и средства интерактивного взаимодействия пользователя с ЭВМ.

Средства виртуальной реальности (СВР). Развитие СВР позволило по-новому взглянуть на решение некоторых задач автоматизированного проектирования. Существующие системы автоматизированного проектирования не всегда удовлетворяют пользователей по части визуализации сложных объемных геометрических моделей в реальном времени, затруднено создание инструкций и технических руководств по сборке и эксплуатации изделий с использованием 3-D моделей. Поэтому некоторые задачи решаются с использованием языков виртуальной реальности VRML, Open GL, Direct X и др., или в комбинации языковых средств и стандартных структур данных, полученных из систем проектирования. Область использования многопроцессорных систем и СВР отмечена заштрихованным овалом на рис.1.

Как выбрать лучшую реализацию задач автоматизированного проектирования и управления? Наличие множеств систем проектирования, различных структур данных и средств виртуальной реальности при решении конкретной задачи ставит проблему выбора лучшей реализации из множества известных [7, 8].

Характеристики программных систем проектирования и управления

В настоящее время на рынке существует большое количество универсальных и специализированных систем проектирования и управления. Они различаются по классам решаемых задач, общим принципам построения, структурной организации и используемым структурам данных. Примером универсальных систем являются AutoCAD, 3D STUDIO MAX, Inventor, SolidWorks и др. Примером

Характерист. Назначение Средства взаимод. Структуры данных Обменные файлы

GERBER Программа Управление 20 устройствами Текстов. язык описания 20 графики *.gbr *.gbr

Open GL Пакет ірафических подпрограмм Расширение графическими функциями универсальных языков программирования Текстовое описание функций языка Определяет пользователь

Графика 0I-T Система программ 20 графика, автотрассировка, проект. РЭА Языковые и интеракт. средства *.bmp, *.b, *.i, *.dxf, *.bmp,

AutoCAD 20 и 30 графика, машиностр и др. *.dwg, *.dxf, *.bmp. *.dxf, *.bmp,

P-CAD 20 графика, автотрассировка, проект. РЭА *.pcb, *.csh, *.plt, *.dxf, *.pdf, *.lib *.dxf, *.pcb, *.csh, ♦.dxf, *.idf

Inventor 20 и 30 графика, проект. РЭА и др. *.ipt, *.prt, *.iam, *.idw *.dxf, *.ipt.

SolidWorks 20 и 30 графика, проект, машиностр и др. »» *.sldprt. *.sldasm, *.slddrw *.iges, *.stp, *.wrl, *.stl, *.ipt. *.dxf, *.dwg, *.iges, *.stp, *.wrl, *.stl, *.ipt

Рис. 2. Обобщенная структурная модель реализаций нескольких этапов проектирования РЭА

специализированных систем являются системы, реализованные на основе универсальных языков программирования и языков виртуальной реальности таких, как VRML, Open GL, Direct X и др., или в комбинации универсальных языков и стандартных структур данных, полученных из систем проектирования.

В таблице приведена классификация систем, их назначение, структуры генерируемых и обменных файлов. В последнее время универсальные системы широко используют стандартные структуры данных типа *.gbr (GERBER), *dxf (AutoCAD),*.iges (IDGES), *.stp (STEP), *.wrl (VRML), что позволяет производить обмен данными между системами.

В первом столбце таблицы указаны только некоторые системы

— представители конкретных классов. Классы систем вы1делены1 по назначению (третий столбец таблицы). Решение комплексных задач в областях проектирования и управления с использованием программных средств, указанных в таблице, приводит к необходимости формализации процесса выбора лучшей реализации комплекса средств из набора множеств вариантов реализации заданных алгоритмов и возможных структур данных Для этого множество возможных реализаций представим в виде сети, в которой дуги соответствуют качественным показателям конкретной реализации, а вершины определяют входы и выходы! (структуры данных) этих реализаций, по которым они могут быть связаны друг с другом. Структуры данных используемых программных систем (реализаций) и будут являться связующим звеном множества реализаций в сети. Выбор лучшей

реализации может быть сведен к решению задачи определения кратчайшего пути в сети такого рода [7, 8].

Покажем возможность выбора лучшей реализации специализированного программного комплекса на примере средств проектирования РЭА.

Структурная организация комплекса программные средств

проектирования РЭА

Допустим, что реализуется алгоритм, представленный на рис.2. Алгоритм включает этапы проектирования принципиальных схем (ПрСх) РЭА, печатных плат (ПП), выпуска конструкторско-технологической документации на 2D и 3D монтажные схемы (МСх).

На рынке в настоящее время существуют достаточное количество отечественных и зарубежных систем, определенное сочетание из которых может решить поставленную задачу. Например, могут быть использованы такие системы, как AutoCAD, P-CAD, OrCAD, Protel, Inventor, Solid Works, I-Deas и т.п. Однако, следует заметить, что, с одной стороны, каждая из систем имеет собственные структуры данных, с другой стороны, имеются международные стандарты по обмену данными между различными системами, поэтому на каждом из этапов должна решаться задача преобразования структур данных. Таким образом, на основе рис. 2 должна быть построена обобщенная структурная модель (ОСМ) из набора систем и программ преобразования структур данных с указанием значений их качественных показателей (критериев), т.е. ОСМ представляет собой некоторую сеть (рис.2), в которой прямоугольники представляют собой часть сети с параллельно расположенными вершинами, обозначающими конкретные системы, а овалы — часть сети, соответствующая взаимным преобразованиям используемых структур данных. Задача выбора лучшей реализации может быть сведена к алгоритму определения кратчайшего пути в сети ОСМ.

На рис. 3 и 4 показаны соответственно два примера из всех возможных вариантов структурных реализаций.

Используемые структуры данных на рисунках отмечены знаком (*.). На рис.3 показана реализация из набора существующих на рынке систем, на рис. 4 представлен вариант реализации на системе собственной разработки (Графика-01-Т) с добавлением элементов 3D монтажных схем, созданных на основе библиотеки Open GL. Последний вариант используется в процессе обучения студентов.

Следует заметить, что аналогичным образом формируются комплексы не только для проектирования в области РЭА, но и в машиностроении. Существенным моментом при выборе лучшей структур-

П роектирование ПрСХ, ПП

Преобразование структур данных

Проектирование 2D и 3D МСх

й S'

ТО н

п О

а> о о я

Си

§

—

я

х

<и

Н

X

и *

о-О

Е -з

fc а 5 <-•>

'А С О

П

.dwg, * dxf,

.prt, *.iam, *idw

Рис. 3. Один из вариантов реализации комплекса проектирования РЭА

0>

і

1

Р9 о

О» ю

О CS

US S*

О 8 о. Л

S X

■J

н

П роектирование ПрСХ, ПП

го

*

-0-

«з

Q.

*.Ь-

элементь

Преобразование структур данных

П роектирование 2D и 3D МСх

Г рафика-01-T • Open GL

л - модель ПрСХ *д — модель ПП ♦І-2П модель МСх

Open GL

3D модель МСх

■*ч

X

О

U. а Л О 2

X О т

Ё а (N

о> а

>* us с

о

п

Рис. 4. Второй вариант реализации комплекса проектирования РЭА

ной реализации является определение типа критерия, на основании чего реализация считается лучшей.

При выборе лучшей структурной реализации систем могут использоваться самые различные критерии от простых таких, как стоимость, объем занимаемой памяти, быстродействие, цвет, вес и т.п., до комбинированных, учитывающих сумму нормированных показателей. Однако, когда речь заходит о больших комплексах, состоящих из систем, стоимость которых измеряется от $2 тыс. до $50 тыс. за одно рабочее место, то практика показывает, что преимущественно работает только один критерий — предпочтение "чиновника", то есть лица, распоряжающегося кредитами. Почему? Об этом хорошо написано в [9]: "Когда руководство поручает 1Т-отделу самому найти поставщиков речь обычно идет о 5-10% ("возврата инвестиций") от суммы контракта. А вот когда высокий руководитель сам навязывает своего поставщика, "возврат инвестиций" может доходить до 40-50%". По этой причине на крупных фирмах реализуется не один конкретный вариант построения программных комплексов, а некоторое множество в соответствии со структурой ОСМ (рис.2). Таким образом, теоретические работы [7,8] получили свое практическое подтверждение.

Электронная документация на этапах жизненного цикла изделий РЭА

Идеология ОМ-Б-технологий [10] подразумевает обмен электронными данными на всех этапах жизненного цикла создаваемого

изделия: от маркетинга, конструкторского проектирования, технологической подготовки производства и до информационного сопровождения эксплуатации изделия.

На примере системы автоматизированного проектирования схемной документации (Графика-01-Т) [11] с реализацией алгоритма определения кратчайшего пути для автоматической трассировки соединений между элементами на принципиальных схемах и печатных платах покажем возможность создания электронной документации на основе компьютерных моделей. Введено понятие "обобщенной компьютерной модели изделия".

Обобшрнная компьютерная модель (ОМ) содержит набор взаимосвязанных компьютерных моделей для всех этапов проектирования. На рис.5 показана упрощенная структура процесса проектирования РЭА. Основанием для проектирования является техническое задание, а результатом — документация на технологическую подготовку производства (ТПП) и изготовление РЭА. Вы1делены1 две стадии разработки РЭА: структурное и техническое проектирование. На этих стадиях, соответственно, решаются задачи, связанные с этапами проектирования схем электрических структурных (СЭС) и функциональных (СЭФ), а также принципиальных (СЭП) и монтажных (СЭМ). Обобщенная компьютерная модель (ОМ) содержит две основные составляющие: схемную и функциональную.

Схемная составляющая является некоторой статической программой, как бы отображающей физический внешний вид отдельных элементов, узлов и блоков проектируемой аппаратуры. Эта составляющая включает взаимосвязанные компьютерные модели

S*“ *>5

.. Л

ІЇ Л

те « £ г* н о о 'X о о cz

<U /“»

Е ЇЇ

а> те

Н *

Структурное

проектирование

Этапы

Про еК ТПр ОВ ЯНПЯ

СЭС я СЭФ

ОМ

мсэс

БДУГО элементов СЭС

ФМС’ЭС

БД ФМ элементов СЭС

Техническое проектирование

Этап Этап

проектирования проектирования

СЭП СЭМ

МС’ЭП

МСЭМ

БДУГО элементов СЭП

БДУГО элементов СЭМ

ФМСЭП

ФМСЭМ

БД ФМ элементов СЭП

БД ФМ элементов СЭМ

3 <

» СП 5 Рч

£ -1 8

11 О О

* ё ь-

(Z с* £ =

Рис. 5

Рис. 6

МСЭС, МСЭП и МСЭМ, создаваемые на разных этапах проектирования, соответственно для схем электрических структурных (СЭС), принципиальных (СЭП) и монтажных (СЭМ) Под моделью схем будем понимать не только их единственное изображение с конкретными текущими значениями координат элементов и связей, а еще и некоторое математическое описание ее граф — схемы, вершинами которой являются отдельные функциональные части аппаратуры, а дугами — связи между ними. Такие модели легко преобразуются в электронный документ, а также в модели, которые используются на последующих этапах. Связи между контактами отдельных элементов схемы (основных функциональных частей изделия) создаются за счет специальных программных средств, используемых в системах автоматизированного проектирования. Например, в системе Графика-01-Т в описаниях элементов схемы вводится специальное понятие "контакт", определяющее координаты подсоединения внешних связей. Это позволило в моделях схем все связи представить в виде "резиновых нитей", что дает возможность легко перемещать и модифицировать отдельные элементы при переходе с

этапа на этап, сохраняя их связность. На рис.6 приведен пример модели принципиальной схемы (МСЭП). Такая модель, например МСЭП, модифицируется на этапе проектирования СЭМ в том смысле, что, во-первых, изображение каждого элемента заменяется на изображение его посадочного места на печатной плате, во-вторых, местоположение каждого элемента изменяется и подчиняется законам проектирования монтажных схем при неизменной связности между элементами на этих этапах.

Функциональная составляющая (функциональная модель), как правило, должна присутствовать на каждом уровне разработки схемной документации. Она также представляет собой программу, описывающую с меньшей или с большей степенью детализации динамические процессы функционирования всех элементов, узлов и блоков проектируемого изделия [12]. На рис.5 в составе ОМ показаны функциональные модели ФМСЭС, ФМСЭП и ФМСЭМ, а также базы данных функциональных моделей (БД ФМ) отдельных элементов, которые создаются на соответствующих этапах проектирования.

583

Рис. 8

г ЩСЛРШ в

I минк-та я MULtWi й

MFC ТАРАМ

NHHK-

ЮІ1НС-П Ш milLiQ05 з

iUKOREA

Рис. 10

Далее предлагается состав компьютерных моделей СЭС, СЭФ, СЭП, СЭМ и перечень электронных документов.

Компьютерная модель схемы электрической структурной (МСЭС) содержит:

— перечень условных графических обозначений (УГО) основных функциональных частей изделия СЭС;

— описания УГО основных функциональных частей изделия СЭС и описания относительных координат их контактов;

— описания связей между контактами частей СЭС;

— ссылки на компьютерную модель СЭФ.

Компьютерная модель схемы электрической принципиальной

(МСЭП) содержит:

— перечень УГО элементов СЭП;

— описания УГО элементов СЭП и описания относительных координат контактов элементов;

— описания связей между контактами элементов схемы;

— ссылки на компьютерные модели СЭС, СЭФ, СЭМ.

На рис.7 показан электронный чертеж СЭП, выполненный на основе МСЭП (рис.5) с автоматической трассировкой связей между элементами.

Компьютерная модель схемы электрической монтажной (МСЭМ) содержит:

— перечень типовых графических изображений установочных мест элементов СЭМ;

— описания типовых графических изображений установочных мест элементов схемы с относительными координатами их контактов;

— описания типовых графических изображений внешнего вида элементов с относительными координатами контактов;

— описания связей между контактами установочных мест элементов СЭМ;

— ссылки на компьютерную модель СЭП;

— ссылки на 3D компьютерную модель используемых конструктивов, включая 3D модели элементов.

На рис.8 показан сборочный чертеж схемы монтажной для

МСЭП (рис.6), на рис.9 — чертеж МСЭМ, совмещенный с результатами автоматической трассировки для той же СЭП. На рис. 10 представлен пример объемной геометрической модели печатной платы в сборе.

Таким образом, в работе рассмотрены возможности создания компьютерных моделей на отдельных этапах ЖЦ РЭА, перечислен набор электронных документов для каждого из этапов, показана возможность формирования обобщенной компьютерной модели (ОМ) для нескольких этапов ЖЦ.

Литература

1. Применение вычислительных машин для проектирования цифровых устройств. Под ред. Н.Я.Матюхина. — М.: Советское радио. -1968.

2. Банковский ЮМ, Галактионов ВА Графические протоколы (обзор)// Автометрия. — 1978. — № 5. — С. 3-11.

3. Горелик АГ., Буракова В.Я. Автоматизация геометрического моделирования с помощью языка "ФAП-KФ"//Вестник машиностроения. — 1979. — № 10. — С. 66-69.

4. ISD/DIN 7942, GKS, VERSION 7.2, ISO TC 97/SC 5/WG2, 1982.

5. Артамонов Е.И, Загвоздкин ВА, Шурупов АА, Щзгольков МЮ. Языки взаимодействия пользователя с ЭВМ в системе "1рафика-81".- М.: ИПУ — 1993. — С. 256.

6. Ньюмен и Слрупп. Основы интерактивной машинной графики. — 1975.

7. Artamonov E.I. Automation of digital device structure design. B-215, ACTA

IMEKO, 1973, 561-570.

8. Артамонов Е.И., Хачумов ВМ Синтез структур специализированных средств машинной графики. — М.: МЦНТИ, 1991. — 145 с.

9. Автоматизация. Forbes, декабрь, 2006.

10. Соломенцев ЮМ Информационно-вычислительные системы в машиностроении. CALS-технологии. — М.: Наука, 2003. — 292 с.

11. Артамонов Е.И., Сзова Л.Н. Автоматическая трассировка соединений (АТС). Свидетельство о государственной регистрации N2008613903 от 15 августа 2008 г.

12. Уэйкерли Дж Ф. Проектирование цифровых устройств. Том 1. — М.: Постмаркет, 2002. — 544 с.