БАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ САПР/АСТПП/САИТ

ЛЕКЦИЯ 4

Наиболее перспективными базовыми технологиями проектирования САПР на сегодняшний день являются:

- технология объектного проектирования;

- Wave технология;

- сквозное проектирование;

- технология параллельного проектирования;

- технология нисходящего проектирования.

- CASE - технологии

Технология нисходящего проектирования:

Технология нисходящего проектирования подразумевает унификацию маршрутов проектирования, которые разделяются на проектные процедуры. Эти процедуры также унифицируются.

Данная технология состоит в последовательности пошаговой детализации выполняемого проекта, при этом на каждом этапе/шаге необходимо рассматривать альтернативные варианты решения, и выбранное наилучшее, которое рассматривается как основа для проекта более низшего уровня.

Предполагается, что инженер начинает работать над проектом на высоком уровне абстракции с последующей детализацией проекта. Основной задачей руководителя или инженера является определение наиболее рационального концептуального решения, выбор алгоритмов проектирования и наиболее эффективных инструментальных средств проектирования. От инженера требуется определение правильной стратегии проектирования на основе достаточно общей и зачастую неопределенной информации. Данная задача решается на основе применения предиктивных инструментальных средств, тоесть программ, обеспечивающих связь этапов функционального, логического, конструкторского проектирования и этапа технологической подготовки производства. При этом предиктивные инструментарии используются как на уровне отдельных проектных процедур и этапов, так и на уровне проекта в целом.

Предиктивные инструментальные средства позволяют работать на уровне прогностических оценок будущего проекта с целью выявления наиболее рациональных путей проектирования.

Технология нисходящего проектирования позволяет получить изделия с наиболее высокими и согласованными характеристиками отдельных узлов и блоков изделий. Однако, если использовать технологию нисходящего проектирования на ряду с применением технологии последовательного проектирования, то недостатком этого подхода будет являться необходимость итерационных циклов / возвратов назад в процессе проектирования.

Технология восходящего проектирования:

Это проектирование объекта как сложной иерархической системы, при котором выполнение проектных процедур с целью получения описания низших иерархических уровней предшествует выполнению проектных процедур с целью описания более высоких иерархических уровней.

Технология восходящего проектирования – это движение от узлов к блокам и изделиям.

Для проектирования изделий вычислительно техники (ВТ) наиболее предпочтительно нисходящее проектирования, которое наилучшим образом позволяет согласовать характеристики отдельных узлов и блоков ЭВМ, которые вместе позволят достичь наилучших характеристик по производительности всего изделия.

Хотя, для ряда изделий восходящее проектирование будет предпочтительно, тоесть когда мы не теряем в эффективности изделия при объединении блоков нижнего уровня, разработка которых не была подчинена единой глобальной цели.

Технология последовательного проектирования:

Технология последовательного проектирования строится на основе выполнения каждого последующего этапа проектирования по завершении предыдущего при последовательной передаче информации между этапами.

Эта технология наиболее проста в реализации и не требует никаких дополнительных средств взаимодействия и согласования проектных процедур.

Однако, эта технология ведет в большому количеству повторных итерационных циклов между различными этапами.

Рис. 2. Полный цикл последовательного проектирования изделия

Технология параллельного проектирования:

При параллельном проектировании информация относительно каких-либо промежуточных или окончательных характеристиках разрабатываемого изделия формируется и представляется всеми участниками работ, начиная с самых ранних этапов проектирования.

Все участники работ одновременно получают техническое задание (ТЗ) и на основе прогностических оценок дают рекомендации по выполнению более ранних по отношению к ним этапов проектирования.

Прогностическая оценка параметров может быть построена на основе использования математических моделей и методов, применения нейросетевого аппарата и на основе метода искусственного интеллекта (использование систем продукций, фреймов и семантических сетей).

Оценка может производиться на основе как аналитических, так и имитационных моделей (статика и динамика).

Технология параллельного проектирования базируется на интегрированных инструментальных средствах и системах проектирования, причем эта технология подразумевает использование методов выработки и оценки альтернативных стратегий проектирования.

Рисунок Полный цикл параллельного проектирования изделия

Технология параллельного проектирования послужила основой для развития сквозного проектирования.

На сегодня наиболее широко применяют эту технологию в системе Mentor Graphics. Эта технология требует обязательный компонент – распределенную информационную среду. Эффект от применения данной технологии достигается за счет учета мнений и рекомендаций всех последующих исполнителей по отношению к текущему этапу. Эта технология позволяет избежать повторных итерационных циклов проектирования.

Достоинства технологии параллельного проектирования: способность к быстрому выполнению индивидуального заказа, повышение качества изделий за счёт сокращения изменений (в 2-3 раза), вносимых в конструкцию на стадии изготовления, и упрощения сервисного обслуживания, устранение известных недостатков последовательного проектирования, в частности, когда ошибки проекта изделия неожиданно обнаруживаются на последних его стадиях. Однако, при внедрении технологии параллельного проектирования возникают некоторые проблемы: обоснованность экономической эффективности применения технологии, организация и управление всем комплексом деятельности, связанной с внедрением технологии, разработка стратегии планирования развития и внедрения параллельной технологии, требующая для своего решения комплексного рассмотрения задач исследования производства, проектирования, доставки, монтажа и пуска в эксплуатацию ее составляющих, подготовки кадров и обслуживания [5].

Суть технологии последовательно-параллельного проектирования заключается в том, что проектирование всеми направлениями ведется на единой подоснове - каждое направление работает на своих вполне определенных слоях (существует специальный регламент). Приступать к работе можно, не дожидаясь полного окончания предыдущего этапа, т.е. можно работать параллельно, а любые изменения, внесенные, например, технологами, сразу становятся доступны всем. Однако завершение каждого этапа и получение проекта каждого следующего уровня происходит последовательно, согласно установленному маршруту проектирования.

Эта технология учитывает тот факт, что последовательность выполнения проектных процедур должна соблюдаться и не может быть полностью параллельной. Следует отметить, что любая параллельная технология является последовательно-параллельной.

Как правило, говорят о последовательно-параллельном проектировании, подразумевая, что последовательность реальных этапов проектирования все равно не может быть нарушена.

Технология сквозного проектирования:

Смысл технологии сквозного проектирования состоит в эффективной передаче данных и результатов конкретного текущего этапа проектирования сразу на все последующие этапы.

Данная технология базируется на модульном построении САПР, на использовании общих Баз Данных и Баз Знаний всего проекта, и характеризуется широкими возможностями моделирования и контроля на всех этапах проектирования.

Эффективность данной технологии обусловлена возможностью разработчика использовать те данные, которые с его точки зрения позволяют наиболее успешно справиться с поставленной задачей. Причем эти данные состоят из регламентированного другими специалистами набора, который получен с предыдущих этапов проектирования, и данных, которые разработчик выбирает из общей Базы Проекта, в которой накоплены все данные до текущего этапа проектирования.

Сквозное проектирование применяется, как правило, в сочетании с технологией нисходящего проектирования для изделий ВТ.

Технология объектно-ориентированного проектирования:

Представляет сочетание проблемно-ориентированного и инструментального проектирования.

Для решения задач проектирования предлагается технологический подход, тоесть сначала выбирается общий подход к проектированию, под которым затем разрабатывается технология проектирования, а далее под эту технологию разрабатываются инструментальные средства.

Технология объектно-ориентированного проектирования более полно учитывает особенности проектируемого изделия, но требует модификации при изменении объекта проектирования.

WAVE технология: (what if alternative value engineering)

Эта технология ориентирована на целевое управление глобальными модификациями, проводимыми в больших сборках сложных изделий, и основана на использовании единой виртуальной цифровой модели проектирования. Впервые технология была применена в 14-й версии Unigraphics [8]. Эта технология позволяет реализовать даже на уровне CAD/CAE/CAM-системы процесс проектирования в параллельном режиме c созданием единой виртуальной цифровой модели.

Благодаря WAVE технологии появилась возможность создавать полное электронное представление любого сложного изделия, оперативно модифицировать по ходу развития проекта, и, что очень важно, поддерживать его параллельное проектирование.

Технология WAVE является базой для параметрического моделирования изделия любой сложности. Механизм управляемой ассоциативной связи между геометрическими моделями дает возможность объединить концептуальное проектирование и детальное конструирование таким образом, чтобы изменения на концептуальном уровне автоматически отражались бы на уровне не только отдельных деталей, но и вторичных технологических моделей. Технология WAVE позволила связать управляемой системой параметров все входящие в сборочную модель детали: между собой и с технологическим процессом их изготовления. Несколько позже появилась возможность формализовать знания, накопленные на предприятии, и широко использовать их в дальнейшей работе.

По этой технологии все управление проектом сконцентрировано в так называемой «управляющей структуре», которая состоит из нескольких наиболее важных параметров, задающих функциональные характеристики изделия и связанных со всей моделью посредством многоуровневых управляемых ассоциативных связей. Задействовав технологию WAVE при создании сборочной модели, можно изменить ассоциативную модель в течение нескольких минут после изменения исходной детали.

Достоинства этой технологии заключаются в том, что она открывает возможность совместной работы конструкторов и технологов и значительно ускоряет процесс проектирования. WAVE позволяет проводить оптимизацию конструкции на концептуальной упрощенной электронной модели изделия и транслировать изменения в результате оптимизации на детальную электронную модель сколь угодно сложного изделия.

На пути к достижению комплексного подхода при разработке ПС широкое применение получили CASE-средства, обеспечивающие поддержку многочисленных технологий проектирования информационных систем, охватывая всевозможные средства автоматизации и весь жизненный цикл ПО. Диапазон CASE-средств очень велик, и сегодня практически каждое из них располагает мощной инструментальной базой.

CASE-технология включает в себя методологию анализа, проектирования, разработки и сопровождения сложных систем ПО, поддержанную комплексом взаимосвязанных средств автоматизации. Основная цель CASE-подхода – разделить и максимально автоматизировать все этапы разработки ПС. Большинство CASE-средств основано на парадигме методология / метод / нотация / средство.

Методология определяет шаги работы и их последовательность, а также правила распределения и назначения методов. Метод – это систематическая процедура генерации описаний компонентов ПО. Нотация предназначена для описания структур данных, порождающих систем и метасистем. Средства – это инструментарий для поддержки методов на основе принятой нотации.

Ниже приведены основные преимущества применения CASE-средств:

- улучшение качества ПО за счет автоматического контроля проекта;

- возможность быстрого создания прототипа будущей системы, что позволяет уже на ранних стадиях разработки оценить результат;

- ускоряются процессы проектирования и программирования;

- разработчики освобождаются от выполнения рутинных операций;

- возможность повторного использования ранее созданных компонентов.

Рассмотрим возможные схемы и комбинации при применении указанных технологий с учётом особенностей проектировании высокотехнологичных изделий. Схемы реализации различных технологий проектирования представлены на рис.4-6 .

Последовательная реализация технологии восходящего (рис.4 а) и нисходящего (рис.4 б) проектирования высокотехнологичного изделия-системы

Рис.5. Технология сквозного проектирования сложного высокотехнологичного изделия-системы а) восходящее б) нисходящее проектирование

При реализации технологии параллельного проектирования следует учитывать, что выполнение этапов будет происходить при полной доступности текущей информации всем группам разработчиков. Разработка каждого отдельного объекта сложного изделия-системы должно быть согласованным с проектированием других объектов. Значит, для этого должна быть предварительно разработана общая концепция изделия-системы и продумано разбиение её на отдельные объекты. Таким образом, наиболее эффективной технологией проектирования сложных высокотехнологичных изделий является технология, сочетающая в себе принципы технологий параллельного и нисходящего проектирования (см. рис 6).

Рис.6. Технология параллельного нисходящего проектирования высокотехнологичного изделия-системы

Что же касается применения объектной и WAVE-технологий, то при наличии соответствующего оборудования и программно-аппаратных средств их применение возможно и даже необходимо на нескольких или всех этапах проектирования с целью улучшения качества конечного сложного изделия. Каждое высокотехнологичное изделие представляет собой сложную систему, состоящую из множества объектов. Применение технологии объектного проектирования дает возможность выбора технологии проектирования как отдельного объекта-изделия, так и выполнения отдельного этапа в процессе проектирования данного изделия с целью улучшения качества конечного продукта.

Очевидно, что наиболее эффективное взаимодействие между различными этапами проектирования и отделами, выполняющими определённый вид работ, достигается при использовании технологии и методов параллельного проектирования. При этом минимизируются возможные возвраты и доработки конечного изделия. Поэтому в качестве базовой технологии проектирования высокотехнологичных изделий может быть выбрана технология параллельного проектирования.

Применительно к созданию высокотехнологичных изделий, в основе организации компьютерной технологии лежит создание полного электронного макета сложного изделия-системы, так как именно создание трехмерных электронных моделей, адекватных реально проектируемому изделию, открывает большие возможности для создания более качественной продукции в более сжатые сроки [6].

В идеале в процессе проектирования и производства сложных и многокомпонентных изделий-систем все участники проекта должны, работая одновременно, и согласовывая друг с другом принимаемые решения, создавать на компьютерах электронные модели элементов, модулей и всего изделия в целом. При этом необходимо одновременно решать задачи концептуального проектирования, всевозможных видов инженерного анализа, моделирования режимов работы, а также компоновки изделия. Не дожидаясь полного окончания разработки нового изделия, эту информацию можно использовать для технологической подготовки производства.

Так же необходимо обеспечить комплексную оценку всех параметров электронной модели и настройку стратегии выполнения конкретных этапов проектирования.

Для реализации современной компьютерной технологии проектирования и производства должны применяться системы автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа (CAD/CAM/CAE) высшего уровня, а также системы управления проектом (PDM — Product Data Management), в основе которых должны лежать комплексные системы поддержки принятия решений. Задачи PDM-систем – это поддержка всего цикла создания изделия от концептуальной идеи до реализации и создание проектно-технологической среды для одновременной работы всех участников разработки изделия с единой виртуальной электронной моделью этого изделия.

Системы CAD/CAM/CAE/PDM должны работать в тесном взаимодействии с системами управления предприятием (MRP, ERP, CSRP [7]), отвечающих за планирование и управление всеми ресурсами предприятия. Эффективность этого взаимодействия может быть обеспечена за счёт разработки и внедрения комплексных систем поддержки принятия решений (рис. 7)

Комплексная СППР должна обеспечивать помощь руководителям, проектировщикам, плановикам, производственникам и специалистам других подразделений предприятия при совместном принятии решений в процессе разработки, производства и эксплуатации высокотехнологичного изделия, возможность одновременного использования преимуществ CAD/CAM/CAE-систем и PDM-систем, объединив их потенциал.

Внедрение комплексных СППР требует решения задачи интеграции технологий проектирования высокотехнологичных изделий и технологий принятия проектных и управленческих решений. Отметим особенности решаемых при этом задач.

Во-первых, каждое высокотехнологичное изделие, как правило, является высоко сложным изделием. Сложное изделие, может быть представлено как система, состоящая из совокупности различных более простых изделий, которые могут проектироваться одновременно (параллельно), с использованием выбранной только для него технологии проектирования – объектный подход. Причём должна быть предусмотрена возможность выбора применения той или иной технологии проектирования не только для отдельного изделия, входящего в систему, но и для отдельного этапа проектирования этого изделия.

Во-вторых, разработка высокотехнологичных изделий подразумевает взаимодействие между объектами комплексной СППР при принятии проектных и управленческих решений. В нашем случае, под объектом системы будем понимать отдельные группы проектировщиков, технологов и специалистов других служб предприятия (включая сотрудников административного аппарата, управления, бухгалтерии и других подобных служб) совместно с используемыми ими программно-техническими средствами, обеспечивающими решение поставленных задач.

При выработке конкретных проектных или управленческих решений может принимать участие один или несколько объектов системы, образуя новые связи между ними для решения поставленной проектной задачи. По ходу решения задачи эти связи, количество участвующих объектов и сами объекты могут претерпевать изменения: группы людей, занятых в решении задачи, могут уменьшаться или увеличиваться по мере необходимости, используемые ими программно-аппаратные средства могут добавляться или заменяться новыми.

Объекты системы будут взаимодействовать и образовывать различные подсистемы, отличающиеся для каждой конкретной решаемой задачи. Следовательно, в разрабатываемой комплексной системе должно быть предусмотрено средства для образования и взаимодействия этих каждый раз новых подсистем.

В-третьих, принципы организации самих подсистем, представляющих коллектив для решения поставленной задачи, не должен совпадать с принципом организации структуры предприятия. Например, если в группу входит администратор, проектировщик и технолог, то совсем не обязательно, что главным и ответственным лицом при решении поставленной задачи автоматически становиться администратор, а подчиненным – обязательно технолог. Каждая решаемая задача диктует определенную подчинённость и иерархию связей внутри созданной группы (подсистемы). В данном случае следует ориентироваться на методы коллективного обсуждения и принятия решений, когда функцией администратора является только определение состава и руководителя группы.