48207 (Проблема автоматизации проектирования в теории систем)

Федеральное Агентство по Образованию РФ

Волгоградский Государственный Университет

Факультет Управления Региональной Экономики

Кафедра Математических Методов и Информатики в Экономике

Реферат

По дисциплине: общая теория систем

На тему: Проблема автоматизации проектирования

Волгоград 2006

Содержание

Введение

Общие вопросы автоматизации проектирования

Заключение

Литература

Введение

Термин "автоматизация проектирования" понимается весьма широко: здесь говорится о новой технологии проектирования, основанной на использовании идей и методов системного анализа. Объектами проектирования могут быть и технические системы, такие, как самолет, ракетный комплекс, корабль, и народнохозяйственные, экономический системы, например системы обустройства крупных нефтяных или газовых месторождений, использования бассейнов, рек и т.д. Системный анализ очень широк, и слова "автоматизация проектирования" призваны его несколько сузить. Этот термин сегодня все же охватывает очень много различных по своему содержанию понятий. Среди них есть и чисто технологические: структура банков данных, средства автоматизации графических работ, управляющие программы и даже языки программирования. Центральным рассматриваемым здесь вопросом является проблема автоматизации начального этапа, так называемого аванпроектирования. В этой проблеме основное наше внимание будет сосредоточено на выборе альтернативных вариантов при завязке проекта или создании генеральной схемы народнохозяйственного комплекса. Эта проблема является, вероятно, не только наиболее трудной, но и узловой проблемой проектирования.

Общие вопросы автоматизации проектирования

Сложность используемой и, главным образом, создающейся техники, сложность используемых технологий, транспортных и производственных связей непрерывно растет. В этом и состоит особенность эпохи развития производственной деятельности, которую обычно называют эпохой научно-технической революции.

Конструкции, которые создают инженеры, все в большей степени используют знания, добываемые в смежных науках. Объединение радиоэлектроники, тепловых процессов, газовой динамики и многого другого при создании одной конструкции является типичным для современного энергетического машиностроения, ракетостроения, самолетостроения. Резкое усложнение всевозможных производственных связей, технологий, переход к новым материалам качественно усложняют работу проектировщика производственного комплекса, в результате чего его сегодняшняя деятельность качественно непохожа на проектную работу пятидесятилетней давности.

Поскольку физиологические возможности человека ограничены, а сложность создаваемых конструкций непрерывно растет, то очевидно, что однажды этот тезис перестает быть справедливым. В последние десятилетия мы начинаем все чаще сталкиваться с ситуациями, когда главный конструктор или руководитель проекта уже не может эффективно вмешиваться в процесс проектирования. Из творца, создателя конструкции он превращается, в лучшем случае, в хорошего администратора.

Поэтому на повестку дня выдвигается проблема принципиального изменения всей технологии проектирования - проблема автоматизации проектирования. Ее особенность - широкое использование современных способов обработки информации и представления ее в таком виде, который позволил бы конструктору, проектировщику до конца использовать свои творческие возможности. В последние годы этой проблеме уделяется все больше и больше внимания, причем такое явление характерно для всех индустриально развитых стран, создающих сложные образцы техники и реализующих проекты сложнейших народнохозяйственных комплексов. Постепенно автоматизация проектирования стала одной из областей наиболее перспективного использования вычислительной техники и методов междисциплинарных исследований процессов разной физической природы.

Сложный проект требует расчленения процесса проектирования на проектирование отдельных подсистем и агрегатов, разделения обязанностей между различными конструкторами, проектировщиками и исследователями-расчетчиками. Такое положение возникло уже давно: создание проекта самолета, крупной водохозяйственной или технологической системы - это всегда дифференцированный труд большого коллектива.

Но расчленение проблемы необходимо предполагает и обратный процесс-процесс объединения, согласования характеристик отдельных частей системы, синтеза, который дает возможность представить конструкцию в целом, оценить ее разнообразные качества и соответствие замыслу.

Расчленение процесса проектирования поначалу не вызывало проблем. Возьмем, например, такую систему как, самолет. Проектирование планера естественным образом отличается от выбора и проектирования двигателя. Аэродинамические и прочностные расчеты делают представители различных профессий и т.д. Такая же ситуация наблюдалась всюду. И всюду постепенно возникали традиционные формы разделения труда.

Долгое время и процесс синтеза проекта также не вызывал особых проблем: по мере усложнения проектируемых конструкций совершенствовались и методы проектирования. Но с течением времени все чаще эти традиционные методы проектирования стали давать сбои. Прежде всего, начали недопустимо удлиняться сроки проектирования. Но это было бы еще полбеды. Хуже то, что на испытания стали поступать конструкции, все менее и менее соответствующие замыслу, и у конструктора до начала испытаний не оказывалось возможности достаточно хорошо проверить, насколько созданные им машина или технологический комплекс соответствует замыслу. В результате - неизбежные переделки, резкое удорожание конструкций и удлинение сроков реализации замысла до десятилетий. А это означает, что в вводится конструкция (или технология) уже устаревшая, отвечающая техническому уровню минимум десяти-двадцатилетней давности.

Анализируя эти явления, мы убеждаемся в том, что основные трудности связаны с синтезом, с увязкой всего многообразия особенностей будущей конструкции. Эти трудности растут экспоненциально вместе с ростом размерности, т.е. количества параметров, которые определяют конструкцию. Квалификация проектировщиков здесь мало чем может помочь: традиционная технология в принципе не может справиться с возрастающей сложностью проекта, и надо менять технологию проектирования.

Возникновение и формирование концепций автоматизированного проектирования происходило по следующей схеме. Сначала начали автоматизировать чертежные работы - эту очень трудоемкую часть любого процесса проектирования. Появились чертежные автоматы. Они, конечно, оправдали затраченные средства. Однако ничего принципиально улучшающего проект или ускоряющего его окончание они не внесли, да и не могли внести. Одновременно шло широкое внедрение в практику инженерных расчетов методов машинной математики. Эти методы существенно усовершенствовали разнообразные процедуры проектных расчетов, свели к минимуму возможные ошибки, повысили общую культуру проектирования, однако также не привели к какому-либо существенному сокращению сроков проектирования.

Надо заметить, что с использованием ЭВМ для проведения инженерных и плановых расчетов были связаны большие надежды. Но они во многом не оправдались. Конечно, в этом была вина не ЭВМ, а специалистов, которые еще не научились их использовать. С их помощью быстрее и точнее решались отдельные инженерные задачи, но серьезно повлиять на судьбу проекта, заметно ускорить окончание работы и улучшить ее качество они еще не могли.

Следующий этап - создание автоматизированных рабочих мест конструктора. Это - уже новый уровень мышления. Рабочие места оказывались непосредственно связанными с ЭВМ, которая заменила конструктору традиционную линейку или арифмометр, появились простейшие дисплеи, позволившие конструктору реализовать обратную связь с ЭВМ. Идея автоматизированных рабочих мест появилась в конце 60-х годов, одновременно с появлением систем разделения времени. С их внедрением также было связано немало надежд. И хотя эти надежды далеко не все оказались оправданными, затраты на создание автоматизированных рабочих мест, конечно, вполне окупились результатами. Еще одним важным следствием появления рабочих мест было внедрение идей диалога ЭВМ-конструктор. Это была важная характеристика определенного этапа развития идей автоматизированного проектирования. До сих пор с ЭВМ работал математик - это он решал задачи, в которых нуждался конструктор. Теперь же сам конструктор получал возможность сидеть за терминалом электронной машины. Это не могло не сказаться на качестве проектов.

Однако и автоматизация рабочих мест конструктора, которая произошла в ряде стран в начале 70-х годов, также не решила основной проблемы. Сроки между возникновением замысла конструкции и ее реализацией по-прежнему оставались значительными. Конструкции, предъявляемые к испытаниям, требовали в процессе испытаний многочисленных и трудных доделок, а подчас и существенного изменения. Во всех тех ситуациях, когда проверочных испытаний не существует, например, при создании промышленных комплексов, дефекты проекта могли оборачиваться подчас трагедией. Да иначе и быть не могло, ибо рабочие места конструктора-это лишь часть общей системы проектирования.

Стала очевидной необходимость создания взаимоувязанной системы проектирования, включающей и систему программ для инженерных расчетов, и автоматизированные рабочие места, и разнообразные диалоговые процедуры, и, конечно, автоматизацию всех графических работ.

Пока еще рано подводить итоги, говорить о результатах эксплуатации таких систем и об их эффективности. С их вводом связывают большие надежды, поэтому автоматизированное проектирование переживает определенный бум. Прежде всего, для них необходима весьма совершенная вычислительная техника совместно с развитой системой ее коллективного использования. системы проектирования, как они задумываются сегодня, требуют коллективного использования банков данных, систем моделей и программ. Их эксплуатация потребует большого количества уникальных магнитных дисков, специальных наборов терминальных устройств и т.д. наконец, создание специализированного математического обеспечения потребует также многих лет упорной работы многочисленных коллективов высокой квалификации. Поэтому ожидать быстрого появления полноценных систем автоматизированного проектирования не следует. Реально их появление можно ожидать в середине следующего десятилетия.

Из этой оценки должен следовать один важный практический вывод: системы должны создаваться с таким расчетом, чтобы они могли вводиться в строй постепенно, по мере готовности отдельных элементов, блоков, т.е. так, чтобы эксплуатация отдельный частей системы могла начинаться задолго до завершения всей системы. Этот принцип очень важен, он позволит сэкономить не один миллион рублей. Но его реализация потребует не только специальной организации программного обеспечения но и специальной организации работы пользователей-групп конструкторов и проектировщиков.

Теперь относительно проблем диалога. Сегодня все согласны с тем, что система автоматизированного проектирования - некоторая специальная диалоговая система, что диалог человек-ЭВМ должен занимать центральное место в процессе проектирования. Но, к сожалению, многие считают, что организация диалога не содержит научной проблематики и сводится прежде всего к решению чисто технических вопросов создания специальных терминальных устройств и хорошего математического обеспечения - пакетов программ для решения инженерных задач. Это - глубокая ошибка. И если она будет устранена своевременно, то создание систем автоматизированного проектирования может привести к разочарованию и неуспеху.

Необходимо создать специальную систему правил и алгоритмов, которые составят основу новой технологии автоматизированного проектирования сложных объектов. Без создания новой технологии системы автоматизированного проектирования, подобно автоматизированным рабочим местам, будут полезным инструментом, который усовершенствует процесс проектирования, но вряд ли внесет в него те изменения, которые его качественно улучшат.

Необходимо сделать несколько замечаний о "теории" неформальных процедур и ее применимости к проектированию сложных технических конструкций. Их создание, подобных производственному комплексу, самолету, электронной машине, - это прежде всего творческий акт, и он не может быть никогда до конца формализован. Этот факт мы будем считать аксиомой и из нее будем исходить. Следует заметить, что целый ряд специалистов полагают, что акт творчества в проектировании в значительной степени может быть заменен специально организованной системой обработки статистического материала. Статистическая обработка параметров существующих конструкций очень важна, и ее ни в коем случае не следует недооценивать. Но ее недостаточно, использование только одного статистического материала позволяет создать конструкцию, лишь имеющую аналоги в отдельных технических решениях, т.е. подобную уже существующим. Действительно оригинальные конструкции, требующие качественно новых технических решений, конструкции завтрашнего дня всегда требуют нетрафаретного мышления, смелости и таланта. Получать их на основе статистики невозможно. Но приняв в качестве постулата невозможность полной формализации, надо сделать и следующий шаг - понять место и значение формальных методов, т.е. методов, использующих математическое описание решаемых задач, понять, чем и как они могут быть полезны конструктору, как они должны быть объединены с неформальными процедурами.

При проектировании сложных конструкций важнейшим является принцип разделения. Этот принцип - принцип декомпозиции - лежит, по существу, в основе всех технологий проектирования. И это легко понять, так как конструктор, как бы талантлив он ни был, может оперировать только с относительно небольшим объемом информации. Это разделение – декомпозиция - должно быть приспособлено и к сборке - синтезу.

Это можно пояснить на примере самолета. На вершине рассматриваемой иерархии находится главный конструктор машины, и перед ним стоит проблема такого выбора параметров, который бы обеспечил решение задач, поставленных заказчиком. Если речь идет о пассажирском самолете, то заказчик-Министерство гражданской авиации (ГВФ). Он хочет, например, иметь самолет для грунтовых аэродромов, который был бы лучше тех, которые он сегодня эксплуатирует, - ЯК-40, АН-24 и т.д. Если речь идет об истребителе, то заказчик хочет иметь самолет, который был бы лучше существующих истребителей. Задача так и должна ставиться - это естественная постановка на естественном языке. Сформировать же некий функционал F (x), зависящих от всех параметров самолета х, максимизация которого гарантировала бы решение задачи, никакой математик или конструктор не в состоянии. Более того, в реальности функционал зависит не только от конструктивных параметров самолета, но и от большого количества неопределенных факторов уY, характеризующих среду, в которой самолет будет функционировать. Таким образом F=F (x,y).

Тем не менее, для решения этой задачи мы можем использовать идеи имитации. Рассмотрим оба типа самолетов, о которых шла речь; сначала обсудим ситуацию с истребителем. Предположим, что мы создали систему, имитирующую бой двух истребителей. Закладывая в ЭВМ параметры проектируемого и какого-либо из существующих самолетов-истребителей, мы Разыгрываем серию боев нашего будущего самолета с машиной, с которой мы собираемся его сравнить. В результате набираем необходимую статистику. Она нам и покажет, какой из самолетов "лучше". Речь идет о завоевании господства в воздухе. И если оказалось, что большее количество боев выиграл проектируемый самолет, то это и будет означать, что он лучше существующего. С самолетом для гражданского воздушного флота дело будет обстоять несколько сложнее: там нет никакой явной характеристики "качества" самолета. Но проведя серию имитационных экспериментов, мы дадим возможность эксперту, если ситуация отвечает гипотезе компетентности, выбрать более предпочтительный вариант.

Значит, имитационная система в принципе позволяет сравнивать варианты и отбирать наилучший. А это и означает возможность поиска максимума функционала без знания его явного выражения. Однако это лишь "принципиальная" возможность использования имитационной системы как инструмента оптимизации. Имитационная система-это, в принципе, машинный аналог испытательного полигона. Имитационный эксперимент на порядок дешевле летного или любого натурального эксперимента. Но всего лишь на порядок: использовать имитационную систему, так же как и систему летных испытаний, для коренного совершенствования конструкции невозможна. имитационная система-это прежде всего инструмент проверки, может быть, очень незначительного улучшения. Создание имитационной системы - еще не решение проблемы.