Системы автоматизированного проектирования самолетов

Выполнение параметризации образной модели в пределах каждой из проектных операций синтеза ПР приводит к заполнению этих массивов конкретными значениями параметров, т. е. появлению математической проектной модели Параметризация может выполняться двумя способами заданием значений параметров самим проектировщиком или вычислением этих значений Вычисления проводятся на основании условий, общую формулировку которых ЭВМ уже «знает» Конкретизация этой формулировки проводится проектировщиком.

Контрольные вопросы

Лекция №9. Тема: разработка альтернативных вариантов САПР

План лекции:

9. Процесс разработки альтернативных вариантов САПР.

10. Примеры возможных общесистемных решений в разработке компонентов КСАП.

1. Процесс разработки альтернативных вариантов САПР

· соответствия всех решений конкретному варианту структуры и схемы функционирования САПР;

· взаимной согласованности решений по разным компонентам КСАП;

· практической реализуемости всех комбинируемых решений.

Необходимость удовлетворения этих условий определяет характер разработки альтернативных вариантов САПР как процесса поиска возможных вариантов решений, их сравнения и проведения вычислений, необходимых для такого сравнения.

Возможные решения в разработке технического обеспечения САПР. При разработке технического обеспечения альтернативность принимаемых решений в наибольшей степени проявляется в отношении структуры основных средств В большей или меньшей степени это относится ко всем компонентам, т. е. центральному и интерфейсному оборудованиям, комплексу средств связи.

Наиболее .типичные решения по структуре центрального оборудования в составе основных средств технического обеспечения САПР можно свести к четырем вариантам, показанным на рис. 9.2. Они рассматриваются далее как простая структура (вариант I), структура с резервированием (вариант II), структура с распределенной обработкой информации (вариант III) и структура с распределением ресурсов (вариант IV). Первый из этих вариантов соответствует использованию одиночной ЭВМ, остальные--различным видам комбинированного использования нескольких ЭВМ, объединенных стационарными каналами связи с высокой скоростью передачи информации.

Присутствие одних и тех же типов устройств в различных вариантах интерфейсного оборудования САПР не означает идентичности выполняемых ими функций. Поскольку технические характеристики различных устройств одного и того же типа могут существенно отличаться друг от друга, различными могут быть и функции, выполняемые этими устройствами в составе интерфейсного оборудования САПР. Так, если в варианте IV графический монитор используется совместно с АЦД для обеспечения взаимодействия с ЭВМ в условиях использования интерактивной графики, то в варианте VI, где эти функции уже выполняются графическим дисплеем, графический монитор используется как средство коллективного просмотра графической информации. Предполагается, что в варианте IV используется графический монитор с экраном обычного формата, а в варианте VI -- специальный широкоэкранный монитор.

Структура комплекса средств связи в составе основных средств технического обеспечения САПР образуется на практике использованием трех типовых средств связи: стационарной линии связи с малой скоростью передачи данных; стационарного канала связи с высокой скоростью передачи данных; телефонной сети.

Возможные варианты их использования приведены в табл. 9.3. Там же дана качественная характеристика интерфейсного оборудования, которому соответствуют эти варианты комплексов средств связи.

Неотъемлемой частью комплекса средств связи являются устройства сопряжения каналов и линий связи с компонентами центрального и периферийного оборудования технического обеспечения САПР. Характеристики этих устройств во многом определяют характеристики комплекса средств связи в целом.

При использовании готовых комплексов оборудования, что часто имеет место на практике, альтернативность решения по структуре рассмотренных выше компонентов технического обеспечения САПР ограничивается существующей архитектурой этих комплексов. Например, использование комплексов типа автоматизированных рабочих мест (АРМ) проектировщика ограничивает альтернативы по структуре центрального оборудования вариантами III и IV (см. рис. 9.2), альтернативы по структуре комплексов средств связи--вариантом I (см. табл. 9.3) и альтернативы по структуре интерфейсного оборудования--набором устройств конкретного АРМ. Обычно наборы этих устройств соответствуют вариантам IV и V (см. табл. 9.2). автоматизированный проектирование моделирование самолет

Вариант I предполагает связь прикладных программ непосредственно с программами ЯНУ, а вариант II^:--с программами ЯСУ. Они оба реализуются за счет собственных программных средств ЭВМ. Вариант III предполагает связь прикладных программ с библиотекой программ диалогового проектирования.

Программно-техническая интеграция понимается здесь как физическое объединение программного и технического обеспечения САПР. Вариантность решений в части программно-технической интеграции обусловлена возможностью различного распределения программных средств между компонентами вычислительной системы. В первую очередь это относится к структурам основных средств технического обеспечения с многоуровневой обработкой информации (см. рис. 9.2, варианты III, IV).

Рис. 9.4. Варианты реализации программных средств ввода-вывода информации

Возможные варианты программно технической интеграции сведены в табл. 9.4 к трем достаточно типовым случаям в зависимости от того, какая из ЭВМ оперирует теми или иными компонентами программного обеспечения САПР. Обозначения (ППП)' и (ППП)" соответствуют компонентам, предназначенным отдельно для автоматизации самого процесса решения проектных задач и для выполнения объемных расчетных операций. Второй из этих типов компонентов именуется обычно библиотекой расчетных модулей ППП. Для многопроцессорных систем ЭВМ 1 соответствует ЭВМ, ближайшей к интерфейсному оборудованию.

В табл. 9.4 рассмотрена только часть из тех компонентов программного обеспечения, которые показаны на рис. 9.3. Предполагается, что ОС ЭВМ и библиотека ПСН ЭВМ, входящие в программное обеспечение САПР, являются неотъемлемой частью соответствующей ЭВМ. В этом отношении функцией ЭВМ 1 в каждом варианте программно-технической интеграции является, в частности, управление работой интерфейсного оборудования. В варианте III эта функция является основной.

Таблица 9.4

Рис. 9.5. Варианты организации использования основных средств технического обеспечения САПР.

Рассмотренные варианты использования основных средств технического обеспечения находят свое отражение в таком компоненте организационного обеспечения САПР, как структура организационной системы, входящей в состав САПР. Очевидно, что вариант I допускает, а в некоторых случаях делает целесообразным, включение в эту организационную систему специалистов по эксплуатации технического обеспечения САПР.

Гораздо в меньшей степени это свойственно варианту II и полностью исключено при организации использования основных средств технического обеспечения по варианту III. Целесообразность той или иной структуры организационной системы САПР может быть установлена только в процессе выбора рационального варианта. Поэтому при разработке альтернативных вариантов, предусматривающих монопольное использование основных средств ТО, в равной степени представляют интерес решения с различными вариантами структуры организационной системы САПР.

Следует отметить, что альтернативность решений по организации использования средств технического обеспечения САПР не зависит от характеристик компонентов этого обеспечения автоматизации проектирования. Собственным оборудованием САПР могут являться ЭВМ с очень высокой производительностью, если это требуется и может быть реализовано на практике. В то же время ЭВМ меньшей производительности могут выступать в качестве арендуемого оборудования нескольких автоматизированных систем, если это позволяет удовлетворить потребности систем в вычислительных ресурсах.

Классификация ЭВМ на основе организационных принципов их использования является более объективной и устойчивой, чем классификация на основе технических характеристик. Быстрый прогресс вычислительной техники «обесценивает» размеры, занимаемые площади, стоимость, производительность и так далее как классификационные признаки. Показатели производительности, еще несколько лет назад соответствовавшие субъективному представлению о больших вычислительных машинах, сегодня характерны для вычислительных машин, классифицируемых как мини-ЭВМ. Независимое изменение производительности и размеров ЭВМ породило понятие супермини-ЭВМ.

В связи с этим в зарубежной практике получила распространение организационная классификация ЭВМ, предусматривающая выделение трех типов вычислительных машин:

- общего пользования--ЭВМ, используемые большим числом неорганизованных (т е. не относящихся к единой организационной системе) пользователей;

- ограниченного пользования--ЭВМ, используемые только коллективами организованных (т. е. входящих в конкретную организационную систему) пользователей;

- индивидуального пользования -- ЭВМ, обеспечивающие автоматизацию строго определенных проектных, научных, производственных или управленческих задач, выполнение которых проводится конкретными специалистами или осуществляется в рамках конкретных автоматизированных технологий (например, в рамках отдельных систем обработки экспериментальных данных).

Реализация принципа системного единства в организации автоматизированного проектирования может достигаться при различных вариантах решений по организационному обеспечению САПР Все они основываются на использовании известных структур управления научно-исследовательскими и опытно конструкторскими работами (НИОКР). Различаются две противоположные по характеру структуры управления НИОКР: сетевая, именуемая также древовидной или дивизионной, и матричная. Они формализуют структуру тех связей, которые используются в организационной системе при реализации конкретных процессов проектирования.

Для САПР проектных работ сетевая структура управления НИОКР является наиболее естественной. Как было принято выше, при определении этого типа САПР подобные системы в административно-организационном плане соответствуют некоторым единичным составляющим проектной организации А сама их организация, как правило, следует на практике принципам сетевой структуры управления НИОКР.

Для комплексной автоматизированной системы (в том числе САПР проектной организации в целом) возможно использование как сетевых, так и матричных структур управления. В обычном (т. е. неавтоматизированном) процессе проектирования оба варианта управления встречаются на уровне проектной организации в целом.

Возможные варианты реализации принципа системного единства в организационном обеспечении САПР показаны на рис.9.6.

Рис. 9.6. Варианты реализации принципа системного единства в организационном обеспечении и схеме функционирования САПР

Типовая структура организационной системы САПР (см. рис. 9.1), соответствующая комплексной системе автоматизированного проектирования, декомпозирована на отдельные составляющие, относящиеся к САПР проектных работ. Вариант I соответствует сетевой, а вариант II -- матричной структуре управления НИОКР. Верхний уровень ЛПР включает руководителей конкретных программ проектных и исследовательских работ, а нижний --непосредственных руководителей работ, выполняемых в рамках отдельных САПР. Основное различие показанных вариантов организационных структур состоит в том, что в случае сетевой структуры управления НИОКР между рассматриваемыми руководителями существует административно-информационная связь, а в случае матричной структуры -- только информационная

Комбинации решений и функциональная схема компонентов КСАП.

Решения в разработке технического, программного и организационного обеспечения.

Лекция №10. Тема: технико-экономическая оценка и планирование процесса создания САПР

План лекции:

11. Основные положения методики технико-экономической оценки и планирования процесса создания САПР.

12. Расчетно-статистический анализ основных показателей технико-экономической оценки и планирования процесса создания САПР

1. Основные положения методики технико-экономической оценки и планирования процесса создания САПР.

При разработке автоматизированных систем, основанных на обработке информации в ЭВМ, находят применение различные критерии их технико-экономической оценки.:

1. Общий или частный производственный эффект САПР (ПЭ), обеспечиваемый при установленном уровне затрат на создание и эксплуатацию системы (З)

ПЭ при З =const (10.1a)

(10.1г)

где Э^пСАПР - прямая годовая экономия от внедрения САПР, т. е. экономия, достигаемая в рамках автоматизируемого (с помощью САПР) этапа проектирования; Э^кСАПР - косвенная годовая экономия от внедрения САПР, т.е. экономия, достигаемая на последующих этапах и стадиях проектирования; ЗСАПР - стоимостные затраты на создание САПР (дополнительные капиталовложения и единовременные затраты), Ен--нормативный коэффициент.

Критерий ЭЭГ является наиболее комплексным и учитывает все частные показатели, входящие в другие критерии технико-экономической оценки. В ходе самой разработки САПР критерий ЭЭГ определяется расчетным путем и носит характер условного критерия. Алгоритм расчета ЭЭГ включает в себя следующие основные зависимости

(10.2)

где (ПР_САПР)к - производительность САПР, выражающаяся числом нормативных работ, которые могут быть выполнены с использованием САПР в течение года на к м автоматизируемом этапе проектирования, ТРСАПР , ТРисх - трудозатраты на выполнение одной нормативной работы на автоматизируемом этапе проектирования с использованием САПР и в исходных (т.е. предшествующих ее внедрению) условиях, Ссапр , Сисх - стоимость единицы трудозатрат при использовании САПР и в исходных условиях с учетом стоимости услуг, используемых при выполнении нормативных работ (в частности, вычислительных ресурсов арендуемого оборудования в составе технического обеспечения САПР), N--число этапов проектирования, автоматизируемых с использованием САПР

(10.3)

где (ТРисх - ТРСАПР)j - среднегодовое снижение дополни тельных трудозатрат на последующем (после автоматизируемого) j-м этапе проектирования, обусловленное повышением качества проектирования при внедрении САПР, Сj - стоимость единицы трудозатрат на последующем j-м этапе проектирования, М число этапов, «реагирующих» на улучшение качества проектирования при внедрении САПР

(10.4)

где ТР_созд - трудозатраты создания САПР; Ссозд - стоимость одной единицы трудозатрат создания САПР; Зпо , Зто - единоразовые затраты на приобретение компонентов программного и технического обеспечении

Стоимостные показатели Ен , Ссапр , Сисх , Сj , Ссозд , входящие в выражение (10.1) ..(10.4), определяются или в значительной степени зависят от экономических нормативов, действующих на конкретный момент времени.

Величины этих показателей не всегда однозначно связаны с характеристиками и условиями разработки САПР Поэтому в практике автоматизации проектирования наряду с интегральными критериями технико-экономической оценки широкое распространение получили различные частные показатели, имеющие однозначную связь с характеристиками создаваемых систем.

К их числу относятся: относительные коэффициенты изменения производительности, трудозатрат и числа исполнителей на автоматизируемом этапе:

абсолютная величина трудоемкости ТР_созд .

В качестве частных показателей могут выступать также величины Зпо ^и Зто, входящие в выражение (10.4), и Тсозд - продолжительность создания САПР

В создании САПР можно выделить три основные направления работ и три варианта условии их выполнения. Содержание направлений работ в зависимости от условий их выполнения отражено в таблица 10.1, где ППП--пакеты прикладных программ, ТО--техническое обеспечение;

На практике возможны различные сочетания условий выполнения отдельных направлений работ. Наиболее распространенные сочетания, образующие типовые случаи создания САПР в целом, показаны в таблица 10.2. Они охватывают весь диапазон возможных ситуаций - от полностью самостоятельного создания САПР (случай 1) до внедрения компонентов КСАП уже существующей САПР (случай 5). Очевидно, что характеристика случая создания САПР является одним из факторов, определяющих значения показателей Зпо , Зто, ТРсозд и Тсозд .

Таблица 10.1

Второй из указанных факторов повышения качества проектирования оказывает влияние на процесс проектирования. С ним связано возникновение косвенного эффекта использования САПР, который измеряется снижением дополнительных трудозатрат, использующих проектную информацию, полученную на автоматизируемом этапе проектирования. Под дополнительными трудозатратами в данном случае понимается трудоемкость работ, выполняемых повторно после обнаружения случайных ошибок в результатах предыдущих этапов, использовавшихся в качестве исходных данных для этих работ. Различие ТРисх и ТРСАПР тем выше, чем меньше вероятность случайных ошибок в проектной информации, получаемой с помощью САПР wСАПР по сравнению с аналогичной вероятностью исходного уровня автоматизации wисх. Соотношение Кw=wисх/ wСАПР можно рассматривать в данном случае как еще один частный показатель технико-экономической оценки САПР. В качестве интегрального показателя качества результатов проектирования может быть использована как сама величина H, определяемая по формуле (10.24), так и относительный коэффициент

где (H)сапр , (H)исх - величины, соответствующие условиям использования САПР и исходным условиям.

Таблица 10.3

Рассмотренные выше частные показатели технико-экономической оценки и планирования процесса создания САПР систематизированы в таблице 10.3. В последующих разделах приведены некоторые методические материалы, предназначенные для определения этих показателей в процессе разработки САПР.

2. Расчетно-статистический анализ основных показателей технико-экономической оценки и планирования процесса создания САПР

Уравнения прямого технико-экономического эффекта САПР.

Представленные ниже зависимости основаны на анализе статистических данных по пяти отечественным и десяти зарубежным САПР, получившим практическое применение в проектировании ЛА. В процедуре анализа использованы основные положения системно-организационного макро-описания проектирования. Так в качестве нормативных работ, в отношении которых оценены технико-экономические показатели, приняты работы, связанные с получением или проектным анализом ПР на отдельных этапах системно-организационного макро-описания проектирования. В качестве исходного условия, предшествующего созданию САПР, принят уровень автоматизации, соответствующий традиционной обработке информации в ВЦ коллективного пользования. Это соответствует 3 и 4 случаям создания САПР (см. таблицу 10.2). В таблице 10.4 представлены данные, характеризующие процесс проектирования при исходном уровне автоматизации.

В принятой постановке процедуры анализа факторами, отличающими САПР от исходного уровня автоматизации и соответственно определяющими ее технико-экономическую эффективность, являются:

- информационная интеграция отдельных расчетных задач в единый процесс;

- интерактивность взаимодействия пользователей САПР с реализуемым в ЭВМ процессом решения проектных задач;

- эксплуатационное удобство работы пользователей САПР со средствами автоматизации проектирования (в том числе доступность средств автоматизации);

- функциональное удобство работы пользователей САПР со средствами автоматизации проектирования (в том числе уровень «искусственного интеллекта», совершенство лингвистического обеспечения и соответствие времени реакции системы требуемой величине).

Таблица 10.4

Эти факторы реализуются в САПР соответствующими компонентами методического, программного, технического и организационного обеспечении, создание которых связано с определенными материальными и трудовыми затратами и должно учитываться в процессе планирования создания САПР.

Фрагмент анализа трех показателей технико-экономической оценки САПР (коэффициентов роста производительности системы, снижения трудоемкости работ и уменьшения численности исполнителей) показан на рис. 10.1. Приведенные там величины показателей являются статистическими данными проводившихся ранее технико-экономических оценок САПР или расчетными значениями этих оценок, полученными автором на основании сведений о функционировании отдельных САПР в их подсистем. Различные обозначения точек соответствуют выполнению четырех типов проектных работ с использованием двух разных САПР: систем, имеющих интерактивную машинную графику, и систем, не располагающих такими средствами автоматизации проектирования. Эти САПР реализуются соответственно при вариантах IV, V и II, III структуры интерфейсного оборудования (см. табл. 10.2).

Изменение величин КПР , КТР , КИСП дано (см. рис. 10.1) в зависимости от повторяемости автоматизируемых работ в рамках одного этапа проектирования. Для количественного представления этой характеристики в случаях неединичного выполнения автоматизируемых работ взято число ПР, прорабатываемых в рамках отдельных этапов проектирования элементов k - го уровня детализации lk^k . При этом использованы результаты расчетно-статического анализа процесса проектирования.

Как видно из рис. 10.1, более высокой повторяемости автоматизируемой работы в рамках одного этапа проектирования соответствуют большие значения КПР , КТР , КИСП , т.е. более высокая технико-экономическая эффективность САПР. Это является проявлением того эффекта, которое оказывает влияние в процессе проектирования на наличие в САПР автоматизированного банка данных, объединяющего выполнение отдельных задач в единый автоматизированный процесс. Наличие АБД позволяет сохранять информацию, получаемую или используемую при выполнении отдельных работ. Она может быть применена далее в аналогичных работах без расхода тех трудоресурсов и времени, которые были уже однажды затрачены на её получение или введение в процесс решения проектных задач. Повышение повторяемости одних и тех же работ при одних и тех же (или мало изменяющихся) исходных условиях, что имеет место при разработке ПР и отражается в увеличении их числа, приводит к относительному снижению трудозатрат на получение общей для всех работ информации.

Основными причинами повторяемости работ в процессе проектирования ЛА являются параметрические исследования и частичные доработки проектной документации. Параметрические исследования в которых разрабатываемые ПР отличаются только значениями отдельных параметров при сохранении самой структуры объекта проектирования, составляют значительную часть проектных работ на уровнях II и III, предусмотренных системно-организационным макро-описанием проектирования (см. рис. 10.1,д). Частичные доработки, при которых различные ПР по объекту проектирования незначительно отличаются друг от друга в структуре объекта проектирования, являются типичными примерами повторяемости работ на уровнях IV и V.

Как следует из рис. 10.1 с учётом интеграции отдельных проектных работ в единый процесс рассматриваемые технико-экономические показатели могут быть представлены выражениями:

К_ПР=1,8(lk^k)^0,5 , (10.5)

КТР=1,8(lk^k)^0,7, (10.6)

КИСП=1,0(lk^k)^0,2 (10.7)

Информационная интеграция имеет положительный эффект при реализации не только последовательных, но и параллельных по времени выполнения проектных работ Распараллеливание процесса проектирования не снижает самой трудоемкости выполнения работ, но изменяет общие сроки их выполнения и соответственно производительность организационно технической системы, реализующей проектирование. Это относится главным образом к комплексным проектным процессам типа тех, которые имеют место при проектной разработке ЛА, при проведении уточненного анализа летно- технических и специальных по целевому назначению характеристик ЛА и при анализе напряженно деформированного состояния конструкции ЛА. Обеспечиваемое здесь за счет использования АБД распараллеливание процесса проектирования является проявлением того влияния, которое внедрение САПР оказывает на саму организационную структуру этого процесса. Анализ имеющихся статистических данных показывает, что в подобных проектных процессах коэффициент распараллеливания работ по времени их выполнения или расходуемым трудоресурсам (обозначим его через АРПР) при внедрении САПР составляет 2...5. В среднем АРПР равно трем. Для проектных процессов определения технической концепции ЛА, разработки чертежей общих видов агрегатов конструкций и компоновочных чертежей оборудования, относящихся к последовательным процессам проектирования, АРПР =1.

На рис. 10.1 для нескольких статистических точек указаны соответствующие им значения АРПР. Для того чтобы исключить из рассмотрения влияние других факторов в качестве таких точек взяты САПР, имеющие минимальные и следовательно одинаковые уровни интерактивного взаимодействия в реализации автоматизированного проектирования Можно видеть, что при прочих равных условиях увеличение АРПР сопровождается увеличением КПР и уменьшением КИСП.

На рис. 10.1 выделено также несколько статистических точек по САПР с высоким уровнем интерактивного взаимодействия, для которых указано значение такой эксплуатационной характеристики САПР, как число пользователей САПР, приходящихся на одно автоматизированное рабочее место проектировщика (mпольз/nрмп).

Каждое такое место образуется соответствующим комплексом интерфейсного оборудования, обеспечивающим в САПР реализацию интерактивно графического режима работы. Если само использование интерактивной машинной графики является положительным фактором, улучшающим условия работы пользователей САПР, то перегрузка интерактивного рабочего места большим числом пользователей, снижает для каждого из них доступность необходимых ему средств автоматизации. Можно видеть (см рис. 10.1), что САПР, имеющая интерактивно-графический режим работы проектировщика, обладает большими значениями КПР чем САПР, не обладающая такой возможностью, и это преимущество тем больше, чем меньше величина (mпольз/nрмп).

Продолжая иллиминированный регрессионный анализ статических данных, первым шагом которого является вывод зависимостей (10.5)..(10.7), уравнения прямого технико-экономического эффекта можно расширять до вида:

К_ПР= КПР(mпольз/nрмп)^-0,82 (АРПР)^0,7 (lk^k)^0,5 , (10.5')

КТР= КТР(mпольз/nрмп)^-0,82(lk^k)^0,7, (10.6')

КИСП= КИСП (АРПР)^-0,7(lk^k)^0,2 (10.7')

где (mпольз/nрмп)=var - характеристика САПР с интерактивной машинной графикой (см. варианты IV и V структуры интерфейсного оборудования, таблица 10.2); (mпольз/nрмп)=3 - для САПР без интерактивной машинной графики (варианты II и III); КПР, КТР, КИСП - удельные показатели технико-экономический эффективности САПР, значения которых приведены в таблице 10.5.

Значение (mпольз/nрмп), указанное для САПР без интерактивной машинной графики, является условным эквивалентом и принимается исходя из равной удельной трудоемкости реализации одинаковых работ в САПР различного типа. Это выражается в постоянстве удельных показателей КТР для разных САПР (см. таблицу 10.5). Группой `A' в таблице 10.5 обозначены процессы с последовательным выполнением проектных работ. Напомни, что к их числу относится определение технической концепции ЛА. Группой «В» обозначены проектные процессы с распараллеливанием проектных работ, к числу которых относятся проектная разработка облика ЛА, уточненный анализ летно-технических и специфических по целевому назначению характеристик ЛА, анализ напряженно-деформированного состояния конструкций ЛА.