Разработка САПР (стр. 1 )

1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

, , А А. Казначеева, И. А. Шкода

РАЗРАБОТКА САПР

(теоретические основы)

Учебное пособие

РПК «Политехник»

Волгоград

2007

УДК 6 (075. 8)

Р 17

Под редакцией кандидата технических наук

Авторы: (введение, п. 1.7, гл. 2, 3, вопросы для самоконтроля); (пп. 1.8–1.13, 2.6, 3.4); (пп. 1.1–1.6, 2.2, 3.6); (пп. 2.8, 2.10, 3.2, 3.3).

Рецензенты: кафедра «Информационные системы в экономике» Волгоградского кооперативного института Российского университета кооперации; начальник бюро САПР и УЧПУ Ротор» .

Разработка САПР (теоретические основы): Учеб. пособие / , , ; Под ред. / ВолгГТУ, Волгоград, 2007. – 96 с.

ISBN -Х

Изложены общие сведения, методология и принципы проектирования сложных технических систем. Приведены классификация, функции, состав, структура, характеристики, основные этапы создания и мероприятия по эксплуатации, обслуживанию и развитию систем автоматизированного проектирования (САПР). Содержатся необходимые сведения по организации проектирования, математическому, лингвистическому, информационному и программному обеспечению САПР, а также основные аспекты автоматизации функционального, конструкторского и технологического проектирования.

Предназначено для студентов всех технических специальностей: 230102 «Автоматизированные системы обработки информации и управления», 151001 «Технология машиностроения», 260704 «Технология текстильных изделий», 140211 «Электроснабжение».

Ил. 18. Табл. 1. Библиогр.: 8 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

ISBN -Х © Волгоградский

государственный

технический

университет, 2007

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 5

1. МЕТОДОЛОГИЯ И ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 6

1.1. Общие сведения о процессе проектирования. 6

1.2. Принципы, уровни и аспекты проектирования, пути повышения его эффективности 8

1.3.Структура и составные части процесса проектирования. Нисходящее и восходящее проектирование 10

1.4. Классификация типовых процедур проектирования. 11

1.5. Типичная последовательность проектных процедур. 12

1.6. Общая схема процесса проектирования. 14

1.7. Проектирование сложных технических систем. Свойства и хара-ктеристики сложных технических систем 16

1.8. Виды и формы представления СТС.. 18

1.9. Математические модели СТС.. 21

1.10. Содержание процесса проектирования СТС.. 22

1.11. Организация и принципы системного проектирования СТС.. 24

1.12. Математическая постановка задачи принятия проектных реше-ний 26

1.13. Типовая структура процесса принятия проектных решений. 27

Вопросы для самоконтроля. 30

2. ПРИНЦИПЫ, МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ САПР. 32

2.1. Основные аспекты автоматизированного проектирования. Тре-бования к объектам проектирования в САПР 32

2.2. Технологический процесс проектирования в условиях функцио-нирования САПР 33

2.3. Основные принципы создания САПР. 36

2.4. Классификация САПР. 40

2.5. Состав и структура САПР. 42

2.6. Математическое обеспечение САПР. 46

2.7. Лингвистическое обеспечение САПР. 48

2.8. Программное обеспечение САПР как объект проектирования. 49

2.9. Информационное обеспечение САПР как объект проектирова-ния 52

2.10. Техническое обеспечение САПР. 56

2.11. Методика разработки САПР. 58

2.12. Организация эксплуатации, обслуживания и развития САПР. 63

2.13. Определение характеристик и оценка качества САПР. 64

2.14. Технико-экономическая эффективность САПР. 69

Вопросы для самоконтроля. 70

3. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И АСПЕКТЫ АВТОМА-ТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ... 72

3.1. Автоматизация функционального проектирования. Задачи функ-ционального проектирования 72

3.2. Одновариантный анализ. 72

3.3. Многовариантный анализ. 74

3.4. Процедуры параметрической оптимизации. 76

3.5. Имитационное моделирование в функциональном проектирова-нии. Понятия имитационного моделирования 77

3.6. Организация процесса имитационного моделирования. 79

3.7. Автоматизация конструкторского проектирования. Классифика-ция задач конструкторского проектирования 82

3.8. Формализация задач топологического проектирования. 84

3.9. Геометрическое моделирование и синтез форм деталей. 85

3.10. Оценка результатов конструкторского проектирования на осно-ве функциональных моделей 87

3.11. Автоматизация технологического проектирования. Основные задачи и модели автоматизации технологического проектирования. 89

Вопросы для самоконтроля. 92

Список литературы.. 93

ВВЕДЕНИЕ

В нынешних условиях быстрого и постоянного обновления предметов массового спроса и потребления, когда сроки подготовки производства и поставки на рынок новой продукции сильно сократились, а её конструктивно-производственная сложность, трудоёмкость и требования к качеству значительно возросли, успешно функционировать может предприятие, работа которого отвечает всем требованиям гибкости и рентабельности на основе разумной и взвешенной технической политики, опирающейся на передовые достижения науки, техники и технологии.

При современном уровне и возможностях технологии можно в сравнительно короткие сроки освоить производство практически любых изделий. В этих условиях темпы технического прогресса в значительной мере определяются темпами производства новых эффективных проектно-конструкторских решений. Следовательно, повышение качества и производительности процесса проектирования является сегодня решающим фактором эффективности всего промышленного производства.

Существующие традиционные методы проектирования хороши на уровне разработки отдельных процессов, агрегатов и типовых машин, когда есть основа для сравнения и число альтернатив ограничено. При создании сложных технических систем необходимы новые автоматизированные методы проектирования, позволяющие проанализировать и оценить большое число возможных вариантов с учетом не только технических, но и социально-экономических факторов. Наиболее впечатляющие результаты в этом направлении получены при переходе от автоматизации отдельных этапов проектирования к системам автоматизированного проектирования (САПР).

Создание САПР технических систем связано не только с возможностями вычислительной техники, но и с глубиной наших знаний в области теории проектирования, технологии производства объектов проектирования, современных математических методов, применение которых помогает принимать рациональные и оптимальные решения. Эффективными могут быть только те САПР, объекты исследования которых имеют серьезную формализованную теоретическую базу, основанную на системном подходе и имеющую развитый математико-логический аппарат.

Успешная реализация планов создания САПР и внедрения автоматизированного проектирования во многом определяется своевременной разработкой и широким распространением всех видов обеспечения, а также подготовкой квалифицированных специалистов – разработчиков и пользователей САПР. Оба этих аспекта связаны с изданием достаточного количества технической литературы, в том числе учебно-методического характера.

1. МЕТОДОЛОГИЯ И ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Общие сведения о процессе проектирования

Сложную техническую систему (СТС) необходимо рассматривать во времени и пространстве. Описание существования СТС во времени приводит к понятию жизненного цикла, а в пространстве к понятию внешней среды, с которой взаимодействует СТС в процессе функционирования.

Под жизненным циклом СТС понимается структура процесса ее создания, производства и эксплуатации, охватывающего время от возникновения идеи создания системы до снятия ее с эксплуатации. Жизненный цикл, как правило, включает следующие составляющие: 1) планирование (включающее обоснование целесообразности создания СТС); 2) научно-исследовательские работы (завершающиеся формированием основных требований к системе и разработкой технического задания на создание СТС); 3) проектирование (завершающееся разработкой проектной документации на создание СТС); 4) производство (создание строительство); 5) эксплуатация.

Отметим условность выделенных составляющих жизненного цикла. Так, например, часто рассматривается шестая составляющая – модернизация (модификация) системы. Структура жизненного цикла СТС представлена на рис. 1.

Рис. 1. Общая структура жизненного цикла изделия:

АСП, АСНИ, АССИ – автоматизированные системы планирования, научных и статистических исследований; САПР – система автоматизированного проектирования; АСУП, АСУТП, ГПС – автоматизированные системы управления производством, технологическими процессами, гибкими производственными системами

Проектирование является важной составляющей жизненного цикла СТС. Цель проектирования состоит в поиске, фиксации и документальном оформлении информации об объекте проектирования, которая необходима для его создания.

Проектированием называется процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта на основе первичного описания этого объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса преобразования (в ряде случаев неоднократного) первичного описания, оптимизации заданных характеристик объекта и алгоритма его функционирования или алгоритма процесса преобразования, устранения некорректности первичного описания и последовательного представления (при необходимости) описаний на разных языках.

Таким образом, в процессе проектирования исходное описание преобразуется в конечное, формируя при этом необходимое количество промежуточных описаний. Промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования, называется проектным решением.

Составляющая, касающаяся научно-исследовательских работ, называется внешним проектированием или макропроектированием. Эта составляющая в общем случае включает следующие стадии: 1) предпроектные исследования; 2) разработка технического задания (TЗ); 3) разработка технического предложения (ТП).

На этих стадиях реализуются следующие процедуры: 1) последовательно изучаются потребности в получении новых систем с заданным целевым назначением; 2) уточняется цель, ради достижения которой создается система; 3) устанавливается круг решаемых ею задач; исследуются свойства внешней среды и определяются характеристики её воздействия на систему; 4) исследуются физические, информационные, конструктивные и технологические принципы построения системы и возможности реализации этих принципов; 5) прогнозируются возможные значения характеристик и параметров объектов. Результатом научно-исследовательских работ являются формулировка ТЗ и ТП на разработку нового объекта.

Составляющие жизненного цикла «проектирование» называется внутренним проектированием или микропроектированием. Здесь определяются: 1) внутренняя структура системы; 2) технические решения её подсистем и элементов; 3) основные качественные количественные параметры; 4) режимы эксплуатации и др. Цель внутреннего проектирования состоит в разработки всей проектной документации для создания системы, которая удовлетворяет требованиям ТЗ и ТП, т. е. требованиям внешнего проектирования. Внутренние проектирование включает в себя следующие стадии: 1) эскизное или предварительное проектирование; 2) техническое проектирование; 3) рабочее проектирование.

На стадии эскизного или предварительного проектирования формируется техническая концепция основных параметров системы, обеспечивающих выполнение требований ТЗ, и уточняется ТЗ. На стадии технического проектирования принимаются подробные технические решения, прорабатываются все части проекта. На стадии рабочего проектирования уточняются параметры и характеристики системы, детально прорабатываются все технические решения, создаются полный комплект проектной документации, необходимой для создания системы.

1.2. Принципы, уровни и аспекты проектирования,
пути повышения его эффективности

Возможности проектирования сложных технических систем (сложных объектов) обусловлены использованием ряда принципов, основными из которых являются: 1) декомпозиция; 2) иерархичность; 3) многоэтапность; 4) типизация и унификация проектных решений, методологии и средств проектирования.

Принцип декомпозиции предполагает структуризацию (разбиение) представлений соответствующего уровня описания объекта на составные части с целью их раздельного проектирования с учетом согласования принимаемых решений.

Принцип иерархичности предполагает структуризацию представлений об объектах и их составных частях по степени конкретизации и детализации описания с целью последовательного наращивания сложности описания объекта в сочетании с декомпозицией.

Разделение описаний по степени детализации отображаемых свойств и характеристик объекта лежит в основе блочно-иерархического подхода к проектированию и приводит к появлению иерархических уровней (уровней абстрагирования) в представлениях о проектируемом объекте (рис. 2). На каждом иерархическом уровне используются свои понятия системы и элементов. На уровне I (верхнем уровне) подлежащий проектированию сложный объект S рассматривается как система из n взаимосвязанных и взаимодействующих элементов Si, где i = 1, 2,…, n. Каждый из элементов в описании уровня I представляет собой также довольно сложный объект, который, в свою очередь, рассматривается на уровне II как система, состоящая из mi взаимосвязаных и взаимодействующих элементов Sij, где j =1,2,…, mi (mi – количество элементов в описании системы Si). Как правило, выделение элементов Sij происходит по функциональному признаку. Подобное разделение продолжается вплоть до получения на некотором уровне элементов, описания которых дальнейшему делению не подлежит. Такие элементы по отношению к объекту S называют базовым элементами.

Принцип многоэтапности обусловливается тем, что процесс проектирования во времени в соответствии со степенью конкретизации описаний и готовности проектных решений подразделяется на стадии, этапы, проектные процедуры и операции.

Принцип итерационности проектирования заключается в том, что при разработке сложных объектов в условиях многоэтапного иерархического проектирования выработать рациональные проектные решения путём однократного прохождения необходимых этапов и уровней удаётся далёко не всегда. Поэтому чаще всего проектирование ведут как итерационный процесс с возвратом к предшествующим этапам и уровням.

Принцип типизации и унификации проектных решений, методологии и средств проектирования осуществляется с целью улучшения технико-экономических показателей объектов, сокращения трудоёмкости и сроков проектирования. Типизация проектных решений целесообразна при их многократном использовании, она предполагает отбор ограниченного количества проектных решений, которые можно применять в широком диапазоне изменения параметров внешней среды. Унификация методологии проектирования предполагает выбор и разработку методов и методик, обеспечивающих достаточно эффективное проектирование объектов соответствующего класса (группы). Унификация средств проектирования предполагает разработку проектных процедур и операций, выполняемых непосредственно проектировщиком, либо с использованием технических и программных средств, для ведения проектирования объектов соответствующего класса (группы).

Кроме расчленения описаний по степени подробности отражения свойств объекта, порождающего иерархические уровни, используют декомпозицию описаний по характеру отображаемых свойств объекта. Такая декомпозиция приводит к появлению ряда аспектов описаний. Наиболее крупными являются функциональный, конструкторский и технологический аспекты. Решение задач, связанных с преобразованием или получением описаний, относящихся к этим аспектам, называют соответственно функциональным, конструкторским и технологическим проектированием.

Функциональный аспект связан с отображением основных принципов функционирования, характера физических и информационных процессов, протекающих в объектах, и находит выражение в принципиальных, функциональных, структурных, кинематических схемах и сопровождающих их документах.

Конструкторский аспект связан с реализацией результатов функционального проектирования, т. е. с определением геометрических форм объектов и их взаимным расположением в пространстве.

Технологический аспект относится к реализации результатов конструкторского проектирования, т. е. связан с описанием методов и средств создания объектов.

Существуют следующие пути повышения эффективности и рационализации процесса проектирования: типизация, оптимизация, автоматизация. Типизация заключается в многократном использовании при проектировании сложных объектов типовых проектных решений, что позволяет значительно повысить производительность и сократить трудоемкость и сроки проектирования. Оптимизация предполагает принятие таких решений, которые в наибольшей степени соответствуют требованиям, являющимся критериальными, и удовлетворяют требования, используемые в качестве ограничений. Автоматизация проектных работ, это внедрение автоматизированного проектирования, при котором отдельные преобразования описаний объекта и алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, а также представления описаний на различных языках осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ.

1.3. Структура и составные части процесса проектирования.
Нисходящее и восходящее проектирование

Процесс проектирования как процесс, развивающийся во времени и пространстве, расчленяется на стадии, этапы, проектные процедуры и операции. При проектировании СТС выделяют стадии: предпроектных исследований, технического задания, технического предложения, эскизного (предварительного) проектирования, технического проектирования, рабочего проектирования.

На стадиях предпроектных исследований, технического задания и технического предложения на основании изучения потребностей общества в получении новых систем, научно-технических достижений в данной и смежной отраслях промышленности, имеющихся ресурсов определяют назначение, основные принципы построения технического объекта и формулируют техническое задание на проектирование. На стадии эскизного (предварительного) проектирования проверяется корректность и реализуемость основных принципов и положений, определяющих функционирование будущего объекта. На стадии технического проектирования выполняется всесторонняя проработка всех частей проекта, конкретизируются и детализируются технические решения. На стадии рабочего проектирования формируется вся необходимая документация для создания системы.

Этап проектирования – часть процесса проектирования, включающая в себя формирование всех требующихся описаний объекта, относящихся к одному или нескольким иерархическим уровням и аспектам. Часто название этапов совпадает с названиями соответствующих иерархических уровней и аспектов.

Проектная процедура – часть этапа, выполнение которой заканчивается получением проектного решения. Каждой проектной процедуре соответствует некоторая задача проектирования, решаемая в рамках данной процедуры.

Действие или формализованная совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры, алгоритм которых остается неизменным для ряда проектных процедур называется проектной операцией. Соответственно проектная процедура, алгоритм которой остается неизменным для различных объектов проектирования или различных стадий проектирования одного и того же объекта, называется унифицированной проектной процедурой.

Если процесс проектирования построен так, что решение задач высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких иерархических уровней, то проектирование называют нисходящим. Если раньше выполняются этапы, связанные с низшими иерархическими уровнями, проектирование называют восходящим.

У каждого из этих двух видов проектирования имеются преимущества и недостатки. При нисходящем проектировании система разрабатывается в условиях, когда ее элементы еще не определены и, следовательно, сведения об их возможностях и свойствах носят предположительный характер. При восходящем проектировании, наоборот, элементы проектируются раньше системы и, следовательно, предположительный характер имеют свойства самой системы. В обоих случаях из-за отсутствия исчерпывающей исходной информации имеют место отклонения от потенциально возможных оптимальных технических результатов. Подобные отклонения неизбежны при блочно-иерархическом подходе, хотя альтернативы блочно-иерархическому подходу при проектировании сложных систем не существует.

1.4. Классификация типовых процедур проектирования

Проектная процедура называется типовой, если она предназначена для многократного применения при проектировании многих типов объектов. Классификация типовых проектных процедур представлена на рис. 3.

Проектные процедуры делятся на процедуры синтеза и анализа. Процедура синтеза заключается в создании описаний проектируемых объектов, в которых отображаются структура и параметры объекта, и соответственно существуют процедуры структурного и параметрического синтеза.

Рис. 3. Классификация проектных процедур

Под структурой объекта понимают состав его элементов и способы связи элементов друг с другом. Параметр объекта – величина, характеризующая некоторые свойства объекта и режим его функционирования.

Таким образом, целью структурного синтеза является определение структуры объекта. Параметрический синтез заключается в определении числовых значений параметров элементов при заданных структуре и условиях работоспособности, т. е. при параметрическом синтезе нужно найти точку или область в пространстве внутренних параметров, в которых выполняется те или иные условия (обычно условия работоспособности).

Процедура анализа заключается в определении свойств и исследовании работоспособности объекта по его описанию, т. е. при анализе оцениваются проекты объектов. Процедуры анализа делятся на процедуры одно - и многовариантного анализа. При одновариантном анализе задаётся некоторая точка в пространстве внутренних параметров объекта. Требуется определить значения выходных параметров объекта. Подобная задача обычно сводится к однократной реализации математической модели объекта, что и обусловливает название этого вида анализа. Многовариантный анализ заключается в исследовании свойств объекта в некоторой области пространства внутренних параметров. Такой анализ требует многократной реализации математической модели (т. е. многократного выполнения одновариантного анализа).

1.5. Типичная последовательность проектных процедур

Типичная последовательность проектных процедур на одном из этапов нисходящего проектирования приведена на рис. 4.

На предыдущем этапе решались задачи k-го иерархического уровня, одним из результатов решения которых при нисходящем проектирование является формулировка Т3 на проектирование объектов (k+1)-го рассматриваемого уровня.

Рис. 4. Типичная последовательность проектных процедур

Проектирование объекта начинается с синтеза исходного варианта его структуры. Для оценки этого варианта создаётся математическая модель. После выбора исходных значений параметров элементов выполняется анализ варианта, по результатам которого становится возможной его оценка. Обычно оценка заключается в проверке выполнения условий работоспособности сформулированных в Т3. Если условия работоспособности выполняются в должной мере, то полученное проектное решение принимается, объект (k+1)-го уровня описывается в принятой форме и формулируется в Т3 на проектировании объектов следующего уровня. Если же полученное проектное решение неудовлетворительно, выбирается один из возможных способов улучшения проекта.

Обычно проще всего осуществить изменение числовых значений параметров. Совокупность процедур модификации параметров, анализа и оценки результатов анализа представляет собой процедуру параметрического синтеза. Если модификация параметров целенаправленна и подчинена стратегии поиска наилучшего значения некоторого показателя качества, то процедура параметрического синтеза является процедурой оптимизации. Если путём параметрического синтеза не удаётся добиться приемлемой степени выполнения условий работоспособности, то необходимо модифицировать структуру.

Новый вариант структуры синтезируется и для него повторяются процедуры формирования модели и параметрического синтеза. Если не удается получить таким образом приемлемое решение, то необходимо произвести корректировку технического задания, сформулированного на предыдущем этапе проектирования. Такая корректировка может потребовать повторного выполнения ряда процедур k-го иерархического уровня, что и обусловливает характер проектирования.

Взаимосвязь процедур анализа и синтеза имеет характер вложенности процедуры анализа в процедуру оптимизации (параметрического синтеза) и процедуры оптимизации в процедуру синтеза, объединяющую синтез структурный и параметрический. Вложенность означает, во-первых, что анализ входит как составная часть в оптимизацию, а оптимизация в синтез, а во-вторых, что однократное выполнение процедуры оптимизации требует многократного выполнения процедуры анализа, а однократное решение задачи синтеза – многократного решения задачи оптимизации.

1.6. Общая схема процесса проектирования

Процессы проектирования отличаются друг от друга и зависят от конкретного объекта, от размеров проектирующей организации и ее структуры, от вида проекта (проектирование на базе типовых решений или полностью оригинальный проект нового изделия). Основными принципами построения логических схем процесса проектирования сложных объектов являются: 1) расчленение сложной задачи синтеза полного комплекса проектно-технологической документации на более простые задачи синтеза промежуточных проектных решений; 2) чередование процедур синтеза и анализа; 3) итерационность проектирования; 4) усиление тщательности анализа (многовариантность, усложнение моделей) по мере приближения к окончательному проектному решению.

Расчленение сложной задачи синтеза на ряд простых выполняется в соответствии с рассмотренными положениями блочно-иерархического подхода к проектированию. Расчленение позволяет распределить работу между соответствующими подразделениями проектной организации, организовать параллельно-последовательное выполнение проектных процедур коллективом разработчиков.

Чередование процедур синтеза и анализа обусловлено тем, что для выполнения большинства задач структурного синтеза отсутствуют методы, обеспечивающие безошибочное получение проектных решений, удовлетворяющих требованиям Т3. Это связано с трудностями формализации задач синтеза, поэтому основные решения принимает человек на основе эвристических приемов. При этом невозможно учесть всё многообразие качественных и количественных требований и избежать ошибок. Поэтому результаты предложенных при синтезе проектных решений контролируются выполнением процедуры анализа.

Итерационность проектирования обусловлена двумя факторами. Во-первых, она вытекает из особенностей блочно-иерархического подхода. Действительно, при нисходящем проектировании на k-ом иерархическом уровне можно лишь предположительно судить о свойствах неспроектированных элементов, которые будут разрабатываться на следующем (k+1)-ом уровне. При восходящем проектировании неопределённость связана с требованиями Т3, корректность которых может быть установлена только при выполнении процедур самого верхнего иерархического уровня. Поэтому ошибочность или неоптимальность решений, полученных на предыдущих этапах, выявляется в последующем, что требует возврата к предыдущим этапам для перепроектирования. Во-вторых итерационность связана с чередованием синтеза и анализа, представляющих собой последовательное приближение к приемлемому проектному решению. Очевидно, что на первых итерациях синтезируемые варианты хуже с точки зрения требований Т3, чем последующие. Поэтому на первых итерациях с помощью довольно приближенных моделей полученные варианты оцениваются быстро и просто. Чем ближе очередной вариант к окончательному решению, тем более точное и всестороннее исследование требуется для его оценки. Следовательно, в процедурах анализа нужно использовать не одну модель объекта, а иерархический ряд моделей, различающихся сложностью и точностью.

Усиление тщательности анализа по мере приближения к окончательному решению выражается также в том, что проверка производится по все большому числу показателей, оговариваемых в ТЗ, зачастую с учетом статистического характера параметров и нестабильности внешних условий.

Логические схемы (модели) процесса проектирования можно рассматривать на двух иерархических уровнях. На общем уровне модель процесса проектирования (рис. 5) предполагает следующее: 1) цель проектирования неизменна (по крайней мере в течение какого-то времени); 2) для создания проекта требуются знания технологии определенного типа; 3) процесс проектирования порождает информацию (проект), которая может быть документирована и использована для производства тем или иным способом.

Рис. 5. Общая логическая схема процесса проектирования

Рассмотрим детализированную модель процесса проектирования (рис. 6). В начале процесса проектирования передается спецификация проекта проектировщику, под которой понимается некоторое первичное техническое задание на проект. Эта спецификация пока не полностью соответствует конечной цели, она скорее формулирует цель. Это обусловливается тем, что формулировка Т3 выполняется в условиях неполноты, изменчивости и неточности исходной информации. На спецификацию проекта могут влиять не только внешние воздействия. В ходе проектирования может выясниться, что некоторое положения Т3 уже не соответствует цели проектирования.

Рис. 6. Детализированная логическая схема процесса проектирования

Процесс проектирования представляет собой цикл управления. Во внутреннем цикле осуществляется следующие операции над проектными описаниями: синтез, анализ, оценка. Внешний цикл замыкает не внутри самого процесса проектирования, а только в процессе высшего уровня.

1.7. Проектирование сложных технических систем.
Свойства и характеристики сложных технических систем

Под сложными техническими системами будем понимать технические объекты, характеризующиеся следующими свойствами: целенаправленностью, целостностью и членимостью, иерархичностью, многоаспектностью и развитием.

Целенаправленность. Сложная техническая система (СТС) создается для достижения некоторой цели. Так как она функционирует в составе включающей её надсистемы, то целью можно считать устранение противоречий или удовлетворение каких-либо потребностей, возникающих в этой надсистеме.

Целостность и членимость. СТС представляет собой целостное образование, состоящее из связанных между собой элементов. Целостность СТС обусловливается её пониманием как единого целого, функционирующего в конкретных условиях надсистемы и состоящего из взаимодействующих в интересах достижения цели частей, разнокачественных, но совместимых. Совокупность элементов системы и устойчивых связей между элементами называется структурой системы. Структуру системы удобно описывать графом, вершины которого соответствуют ее элементам, а ребра – связям между ними.

Иерархичность. СТС может быть представлена не только как элемент надсистемы, находящейся на более высоком уровне иерархии, но и как совокупность элементов, являющихся подсистемами и принадлежащих более низкому уровню иерархии. Подсистемы также могут быть разделены на части. Разделение системы на части и последующие их раздельное исследование называется декомпозиций. Продолжая декомпозицию системы до уровня элементов, дальнейшее членение которых нецелесообразно, получим многоуровневую иерархическую структуру СТС (см. рис. 2).

Многоаспектность. СТС характеризуется различными группами свойств (аспектами), которые необходимо учитывать при ее проектировании. Описание СТС, выполненное в каком-либо аспекте, называется ее представлением. Основными представлениями системы являются функциональное, морфологическое и процессное.

Развитие. СТС является развивающимися, т. е. изменяющими свои функции, структуру, внутренние процессы на протяжении всего жизненного цикла. Причинами изменений в СТС являются изменения ее внешней среды и воздействие ее на СТС.

Перечисленые свойства позволяют сформулировать основное противоречие процесса проектирования, возникающее при описании СТС, – между необходимостью получения целостного описания, отражающего целостность и целенаправленность системы, и ее сложностью, заключающейся в иерархичности, многоаспектности, развитии. Для разрешения этого противоречия необходимо обеспечить комплексный характер создаваемых описаний СТС, учитывающий ее сложность в вышеуказанном смысле.

В результате проектирования должен быть создан единый согласованный проект СТС, обеспечивающий ее работоспособность и требуемый уровень качества функционирования и эффективности.