48207 (Проблема автоматизации проектирования в теории систем), страница 2

Значит, для действительно эффективного использования имитационной системы и всей системы автоматизированного проектирования необходимо учитывать тот факт, что и главный конструктор обладает определенными и вполне ограниченными психофизиологическими возможностями обработки информации. Следовательно, необходима декомпозиция проблемы. последнее означает, что требуется система процедур, позволяющая конструктору, и прежде всего главному конструктору, оперируя с ограниченной информацией, вести направленный поиск оптимальных параметров конструкций.

Некоторые варианты схемы проектирования

а) Вспомогательные функционалы, паретовский анализ. Обсуждение процедур автоматизированного проектирования начнем с высшего уровня-уровня главного конструктора. Как уже было сказано, конструктор может мыслить относительно небольшим числом параметров И эти параметры, как правило, являются агрегатами, т.е. некоторыми функциями конструктивных параметров самолета причем <

Как следует из опыта организации и использования неформальных процедур, агрегированные характеристики, которыми мыслит эксперт, всегда достаточно индивидуализированы. Но это не значит, что системы автоматизированного проектирования должны быть строго индивидуальны. Отдельные блоки системы, общая схема операционной системы САПР (системы автоматизированного проектирования), структура банков данных, основная часть математического обеспечения должны быть стандартизированы. Но не может не приниматься во внимание тот факт, что главный конструктор машины по-своему думает о ней, имеет собственные оценки и критерии, отличные от тех, которые имел бы другой главный конструктор.

Не следует, конечно, и переоценивать роль этого индивидуального элемента. Существует целый ряд характеристик конструкции (самолета, в частности), которые являются общепринятыми. Например, для самолета максимальная скорость, маневренность, потолок и т.д. Но, кроме того, в зависимости от характера проектируемого самолета и особенностей мышления конструктора могут возникнуть и специфические параметры. Например, если речь идет о пассажирском лайнере или транспортном самолете, то может возникнуть потребность в расчете прочностных или экономических характеристик. Перестройка математического обеспечения в этом случае не будет носить принципиального характера, поскольку эти характеристики практически всегда вычисляются в одном из блоков имитационной системы.

Очень важно еще, чтобы расчет агрегированных характеристик был достаточно простым, с тем чтобы он мог быть проведен с помощью математического обеспечения, которое содержится в отдельных блоках системы. Примером таких расчетов является расчет тактико-технических характеристик. Итак, первый этап декомпозиции состоит в назначении некоторого набора функционалов, которые, с точки зрения главного конструктора, достаточно полно характеризуют конструкцию, с тем чтобы среди возможных вариантов отобрать те, которые будут подвергнуты дальнейшему анализу. назначение этих функционалов - акт неформальный, но на их основе развивается определенный формализм. Следующий этап-это выделение существенных переменных. Последующий этап-организация и использование процедур оптимизации, составляющих основу для построения паретовского множества. Дальнейшие процедуры паретовского анализа - выбор параметров х, реализующих компромисс:

Представим себе общую схему процедур проектирования на уровне главного конструктора.

Задаем функционалы (акт существенно неформальный).

Формируем функционал (это-последовательность строгих процедур).

Строим функцию , для чего в пространстве строим сетку с узлами и для каждого = решаем задачу --max.

Решаем задачу и находим "оптимальное значение" .

По заданному определяем параметры конструкции и переходим к следующему этапу проектирования.

б). Случай, когда существует доминирующий функционал.

До сих пор мы ориентировались на изучение того случая, когда нет формализованного критерия, когда оценка качества проекта - это субъективно представление эксперта. Была рассмотрена также ситуация, в которой можно составить систему формальных процедур, позволяющих вычислить функционал. Но вычисление этого критерия было столь трудоемким, что его нельзя было использовать непосредственно для определения оптимальной системы параметров конструкции.

Весьма распространенным свойством объекта проектирования является существование некоторого доминирующего функционала, и весь анализ конструкции должен быть привязан к изучению вариантов в окрестности его оптимума.

Предположим, что проект характеризуется показателями а конструктор стремится выбирать параметры конструкции - вектор х - так, чтобы обеспечить выполнение условий . Обозначим через решение задачи Пусть новое ограничение состоит в том, что на выбор х наложено условие вида где 0 выступает обычно стоимость проекта и она не должна превосходить величины его наименьшей возможной стоимости на 100 k%. Определив минимальную величину и систему параметров - вектор , который реализует этот "оптимальный" проект,--мы вычислим в точке остальные характеристики: Они должны быть предъявлены эксперту, который будет заведомо неудовлетворен значениями найденных показателей. Значит самый дешевый проект должен быть забракован. Он не будет удовлетворять заказчика по другим показателям. Но от предельной стоимости мы далеко отступить не сможем, нас лимитируют выделенные деньги. Поэтому в окрестности точки надо тем или иным образом построить сетку точек, которым соответствуют близкие значения функционала . где в зависимости от ситуации числа берутся равными 0,01; 0,02; … Затем вычисляются значения показателей которые предъявляются эксперту, после чего из множества точек выделяется некоторое подмножество вариантов для последующего анализа, а остальные варианты исключаются из рассмотрения.

в) Еще один пример декомпозиции.

При реализации процедуры, описанной в предыдущем пункте, мы неизбежно встретим одну трудность, типичную для любого проекта,--размерность задачи. Для этой цели ввели "существенные" функционалы и "существенные" переменные, которые позволили от задач, размерность которых была порядка многих тысяч, перейти к задачам размерности десятка. пояснить сказанное можно примером проектирования системы обустройства нефтеносного региона.

Предположим, что речь идет о проекте обустройства системы нефтяных месторождений А, Б, В, Г, Д. какие задачи должен решать проектировщик генеральной схемы? Прежде всего у него есть определенная цель - обеспечить выполнение плана поступления нефти в центральный нефтепровод Этот план задан данному региону исходя из общих потребностей страны в нефти в виде некоторой функции где -момент начала добычи нефти, Т-конец планового периода. Задача проектировщика состоит в том, чтобы определить плановые задания производства отдельным месторождениям , создать проект сети нефтепроводов, соединяющих месторождения с центральным нефтепроводом, определить очередность строительства, наметить пункты сбора и первичной обработки нефти, спроектировать систему закачки воды для поддержания пластового давления, спроектировать систему электропитания и т.д. в результате должна быть выдана документация на все необходимое оборудование, вся его спецификация, включающая тысячи наименований. Все это множество величин должно быть выбрано так, чтобы не только обеспечить выполнение условия , но и достичь минимума стоимости, т.е. минимума функционала , и, кроме того, минимизировать значения многих других показателей, которые характеризуют качество проекта.

Разумеется, составление проекта, выбор параметров потребуют определенной иерархии, проектирования "по этажам". Верхним этажом, очевидно, должна быть генеральная схема, в которой каждое из месторождений выступает как отдельный объект. Но такое выделение верхнего уровня имеет смысл лишь тогда, когда каждое из месторождений описывается относительно небольшим количеством параметров. Но как это сделать, если количество скважин на более или менее крупном месторождении исчисляется тысячами? Очевидно, что без специальной формы агрегирования, объединения величин здесь не обойтись.

Способ агрегирования подсказывает сама особенность задачи. поскольку количество скважин очень велико, то вместо рассмотрения отдельных скважин как самостоятельных объектов будем рассматривать их как распределения или, что то же самое, считать число скважин на том или ином месторождении непрерывной и дифференцируемой функцией времени. Тогда изменение числа скважин будет описываться системой дифференциальных уравнений вида

где -число скважин на месторождении номера i, - вектор ресурса, выделенный на разбуривание месторождения номера i. Введем величину -дебит отдельной скважины на месторождении номера i. Эта величина определяется многими факторами, но главные из них - это количество скважин и количество уже добытой нефти . Таким образом, закон изменения величины может быть параметризован в виде Величина зависит еще от многих факторов: от способа эксплуатации, от уровня того пластового давления, которое поддерживается закачкой воды, и т.д. Но на верхнем уровне проектирования, когда нам надо представить себе лишь общие контуры проекта, мы считаем, что все эти факторы, выбор которых находится в нашем распоряжении, определены некоторым "оптимальным" образом.

г) Иерархия уровней проектирования и буферные системы.

До сих пор мы обсуждали только процедуры, осуществляемые на верхнем уровне проектирования. В результате мы сможем получить некоторый эскиз будущего проекта. Бесспорно, это важнейший этап проектирования. Подчеркнем паретовский анализ. Мы все время развиваем идеи диалога, вся система процедур направлена на одно: помочь конструктору избежать лишней работы, анализа бесперспективных вариантов, последовательно сужая множество претендентов на решение.

На следующем этапе начинается проектирование отдельных частей самолета: фюзеляжа, моторных отсеков, электрооборудования и т.д. Каждый из этих объектов сам по себе является достаточно сложной системой и определяется большим числом различных характеристик.

Обсуждая особенности процедур верхнего уровня, мы отметили особое значение системы конструкторских, проектировочных ограничений - множества Х. Это-квинтэссенция инженерного опыта и инженерной квалификации. То же самое надо сказать и о системе ограничений его агрегатов.

Предположим теперь, что отдельные самолетные агрегаты спроектированы. На этом этапе могут возникнуть определенные трудности согласования решений, принятых на уровне главного конструктора и конструкторов, проектирующих отдельные части самолета. Конструктор фюзеляжа может не вписать свою конструкцию в жесткие рамки ограничений по весу изделия в целом и по геометрическим параметрам. Конструктор двигателей не сможет, например, обеспечить требуемую зависимость мощности от высоты или скорости и т.д. Поэтому, если собрать все отдельные технические решения в единый проект, то его облик будет очень далек от того, который представлял себе главный конструктор в самом начале.

Завершив работу над формированием облика, т.е. выбрав параметры х, мы уже можем представить себе облик самолета с большим числом подробностей. Необходима система разнообразных пересчетов. Эта система называется буферной системой. Например, функционалы можно вычислить теперь гораздо точнее, ибо на втором уровне мы знаем большинство величин и можем рассчитать новые значения функционалов где -уже некоторые известные величины, а не нули, как мы считали при реализации процедур формирования облика.

Подобная система пересчетов дает возможность уточнить концепцию. Но могут быть и другие системы пересчетов. Таким образом буферная система несет разнообразную нагрузку. Она позволяет уточнить характеристики создаваемой системы и служит средством организации диалога между проектировщиками.

Здесь говорилось о проектировании самолета. По существу, все сказанное сохраняет свою силу и для автоматизированного проектирования любой сложной технической системы-корабля, ракетного комплекса, сложной технологической линий, комплексного химического производства и т.д. Конечно, структура алгоритмов и система критериев - все будет иным. Но общий подход, расчленение проблемы, паретовский анализ, способы организации диалога с помощью имитационной системы сохранят свою силу.

Заключение

Сегодня автоматизация проектирования, если ее понимать достаточно широко, - это один из важнейших приложений системного анализа. Было рассмотрено 2 примера проектирования конкретных систем. Они в некотором смысле являются двумя главными случаями. Но тем не менее имеется много общего в проектировании систем автоматизации. Это общее позволяет рассматривать весь процесс автоматизирования как некоторый, специальным образом организованный, диалог. И организация диалога человек-ЭВМ есть главное в системах САПР. Показать, что диалог-это своеобразный алгоритм, построение которого требует высокого профессионализма, показать, что это и есть краеугольный камень всей автоматизации проектирования, - было главной задачей.

Литература

1. Губанов В.А. и др. Введение в системный анализ; Под ред. Л.А. Петросян. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1988.

2. Каган М.С. Системный подход и гуманитарное знание. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1991.

3. Карташев В.А. Система систем: Очерки общей теории и методологии. - М.: Прогресс-Академия, 1995.

4. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Наука, 1981.