Software & Systems

Необходимыми элементами процесса проектирования сложных объектов техники (СОТ) являются оценивание, сравнение и выбор вариантов проектных решений. В связи с этим в системы автоматизированного проектирования (САПР) включаются подсистемы принятия проектных решений. Особый интерес представляет поддержка принятия решений на начальных стадиях проектирования, поскольку здесь во многом определяется качество окончательных проектных решений и разработки в целом.

•    формирование технических требований;

•    формирование облика проектируемого изделия;

•    эскизное проектирование.

Эти стадии вместе составляют так называемое исследовательское проектирование (поисковое конструирование). Однако в ряде случаев стадия эскизного проектирования не требуется, так как после формирования облика проектируемого изделия разработчик фазу приступает к техническому либо технорабочему проектированию. В процессе исследовательского проектирования иногда приходится повторно выполнять отдельные стадии, особенно это относится к формированию технических требований — исходный вариант требований уточняется в процессе формирования облика и в дальнейшем выступает как техническое задание (ТЗ) на проектирование.

Разработка ТЗ — внутреннее проектирование; формирование облика, разработка эскизного, технического и рабочего проектов — внешнее проектирование.

Облик проектируемого изделия — техническое предложение, предварительный проект.

Исследовательское проектирование — научно-исследовательская работа (НИР); внешнее проектирование вместе с созданием опытного образца — опытно-конструкторская работа (ОКР); внешнее проектирование само по себе — НИОКР.

Функциональные модули

Комплекс программ (КП) «Проект», реализующий поддержку принятия решений на начальных стадиях проектирования. Его функциональная структура представлена на рис. 1. Обратная связь означает, что исследовательское проектирование — итеративный процесс, включающий последовательное формирование технических требований и облика проектируемого СОТ в целом, его подсистем, узлов и элементов.

КП «Проект» ориентирован на автоматизацию исследовательского проектирования объектов сельскохозяйственного машиностроения. Предметная область проектирования представлена на рис. 2. Проектируемое изделие характеризуется как минимум четырьмя атрибутами: имя («кто?»), функция («что делает?»), показатель («как делает?»), элемент («из чего

Рис, 2. Предметная область проектирования

состоит?»). При более детальном рассмотрении используются и другие атрибуты, характеризующие вход изделия, его выход и т. д. Для адекватного описания проектируемого изделия в базе данных (БД) САПР требуются сведения об этих атрибутах, а с учетом иерархии — описание соответствующих классов (подклассов) в виде деревьев изделий, функций, показателей и элементов.

Модуль KLASS предназначен для задания множества аналогов проектируемого СОТ и включает этапы: выбор класса изделий, задание перечня функций, поиск и отбор аналогов.

Класс изделий определяется в соответствии с иерархией изделий, имеющей 4 уровня: класс, подкласс, тип, вид. Пользователю предоставляется возможность остановиться на любой ветви дерева изделий любого уровня иерархии, не конкретизируя до конца выбранный класс. Кроме того, пользователь может на любом уровне иерархии отметить некоторое изделие в качестве типичного представителя выбранного класса. В этом случае отпадает необходимость в этапе задания перечня функций, поскольку в качестве такого перечня в дальнейшем будут выступать функции типичного представителя.

Основным и единственным признаком отнесения некоторого объекта к множеству аналогов проектируемого СОТ является полное или частичное совпадение выполняемых ими функций. При необходимости пользователь сужает окончательное множество аналогов. Следует отметить, что при разработке ТЗ на подсистемы (а также узлы и элементы) проектируемого СОТ практически отпадают этапы выбора класса и отбора аналогов — задачи этих этапов решены при формировании облика изделия в целом. Остается лишь этап задания перечня функций каждой подсистемы на основе функций изделия в целом.

Модуль PROTOTIP предназначен для выбора базового образца (прототипа) и формирования исходного варианта технических требований к проектируемому СОТ — перспективного образца.

Если БД САПР содержится в актуализированном состоянии, то сформированное модулем KLASS множество аналогов содержит объект, соответствующий лучшему достигнутому уровню технического совершенства. Для определения этого объекта должна быть решена задача многокритериального оценивания, сравнения и выбора. Результатом ее решения является лучший-реальный аналог проектируемого СОТ. Характеристики этого объекта (базового образца) отражают лучший достигнутый уровень, несмотря на то, что по отдельным критериям его оценки могут уступать оценкам других аналогов (в этом случае рассматривается возможность синтеза прототипа из нескольких лучших вариантов).

Когда определен достигнутый уровень, можно говорить о наличии минимальной необходимой информации для решения задачи установления обоснованного и взаимосогласованного уровня требований к проектируемому СОТ по каждому из выделенных критериев. Набор этих требований представляет собой описание в критериальном пространстве так называемого перспективного образца — объекта рассматриваемого класса, соответствующего лучшему уровню технического совершенства в перспективе.

Модуль MORF предназначен для построения полного морфологического множества проектируемого СОТ и формирования на его основе допустимого множества альтернативных обликов. Полное морфологическое множество строится в виде морфологической таблицы (МТ), столбцы которой соответствуют составным частям изделия, а строки содержат их технические реализации (не более 10). Модуль MORF обеспечивает два режима построения МТ:

•    на основе информации БД САПР, когда наименования столбцов определяются в соответствии с функциями проектируемого СОТ, выделенными на этапе работы программы KLASS, а строки формируются путем поиска технических реализаций указанных функций в БД САПР и отбором не более десяти лучших на основе предпочтений проектировщика, выявленных во время выполнения модуля PROTOTIP;

•    вводом наименований составных частей и их технических реализаций непосредственно пользователем с клавиатуры видеотерминала.

Независимо от выбранного режима первоначального построения МТ модуль MORF предоставляет пользователю практически неограниченные возможности по просмотру и корректировке МТ.

Работа по формированию допустимого множества обликов в рамках модуля MORF сводится к выявлению недопустимых (несовместимых, нереализуемых и неэффективных) сочетаний технических реализаций взаимодействующих составных частей СОТ. Для этого вначале все множество выделенных на данном уровне детализаций функциональной структуры составных частей разбивается на относительно независимые подмножества, мощность каждого из которых не должна превышать 5. Указанное ограничение обусловлено требованием обозримости вариантов, так как в этом случае количество сочетаний колеблется в диапазоне от 22 (подмножество содержит 2 составные части, каждая из которых имеет 2 реализации) до 105 (5 составных частей по 10 реализаций). При рассмотрении каждого из подмножеств модуль MORF обеспечивает работу в двух режимах:

•    автоматическом — решение о совместимости, реализуемости и эффективности текущего сочетания технических реализаций принимается путем логического вывода на основе заранее подготовленной базы знаний;

•    интерактивном — пользователь отказался от использования базы знаний, или в результате логического вывода оказалось, что в БЗ нет информации о допустимости или недопустимости текущего сочетания, и проектировщик сам должен оценить, является ли сочетание несовместимым, нереализуемым или заведомо неэффективным.

После рассмотрения всех выделенных подмножеств составных частей пользователю выдается информация о количестве исключенных вариантов облика СОТ, мощности исходного (полного) и допустимого множества альтернатив.

Пользователю предоставляется возможность вернуться на любой из режимов главного «меню» модуля MORF или/если он удовлетворен результатами проделанной работы, перейти на этап выбора наиболее предпочтительного варианта облика СОТ.

Модули ORTJK1 и ORJ.TK2 предназначены для многокритериального оценивания, сравнения и выбора альтернативных вариантов технической концепции СОТ, причем OBLIK1 ориентирован на полный перебор допустимого множества и применим в случае, когда мощность этого множества не превышает 100, а модуль OBLIK2 реализует метод «лабиринтного конструирования».

При запуске модуля OBLIK1 реализуются практически те же этапы процесса оценивания, сравнения и выбора вариантов, что в модуле PROTOTIP. Основное отличие в том, что сравниваемыми вариантами здесь выступают не реальные аналоги проектируемого СОТ, как в программе PROTOTIP, а варианты его облика, удовлетворяющие требованиям к перспективному образцу.

Модуль OBLIK2 обеспечивает «конструирование» если не наиболее предпочтительного, то по крайней мере приемлемого варианта облика и поэтому применим в случае, когда мощность множества допустимых вариантов такова, что полный перебор неосуществим. Сущность реализуемого модулем метода заключается в следующем:

1)     составные части изделия ранжируются в соответствии со значимостью выполняемых ими функций;

2)     фиксируется составная часть с наивысшим рангом и определяются (непосредственно в интерактивном режиме или с применением вспомогательного модуля многокритериального оценивания, сравнения и выбора) три лучшие ее технические реализации;

3)     рассматриваются допустимые сочетания из лучшей реализации первой составной части и технических реализаций следующей составной части, выбираются три лучшие сочетания;

4)     анализируется лучшее сочетание рассмотренных К составных частей; если оно удовлетворяет требованиям перспективного образца, сформированным на этапе выполнения программы PROTOTIP, то переход К (6); в противном случае — К (5);

5)     берется 2-е (3-е) лучшее сочетание первых К составных частей, переход К (4); если все выделенные сочетания рассмотрены, то К=К—1 и повторное выполнение (5);

6)  К=К+1 и выбираются три лучших сочетания технических реализаций, переход на (4); если К больше количества составных частей СОТ, то конец работы.

Вспомогательные модули комплекса программ «Проект»

Вспомогательные функции в комплексе программ выполняют модули многокритериального выбора, логического вывода, интерфейса пользователя, интерфейса баз данных и печати карты технического уровня проектируемого изделия.

Модуль выбора функционирует с использованием ранее подготовленной и частично заполненной таблицы оценок вариантов, столбцы которой соответствуют альтернативным вариантам, а строки — оценкам этих вариантов по выделенным критериям, и используются в модулях PROTOTIP, MORF, OBLIK1 и OBLIK2 для выбора лучшего аналога, отбора наиболее предпочтительных технических реализаций, выбора лучшего варианта проекта, ранжировки допустимых вариантов сочетаний технических реализаций соответственно.

Этот модуль обеспечивает:

•    просмотр, дополнение и корректировку таблицы оценок;

•    построение кусочно-линейной аппроксимации (рис. За, б) функции ценности на значениях критериев, отражающей систему предпочтений проектировщика;

•    выявление системы предпочтений пользователя на множестве критериев оценки и опре-

ние «весовых» коэффициентов критериев (на основе рангов критериев, заданных пользователем, либо исходя из номеров соответствующих разделов карты технического уровня);

•   расчет значений многомерной функции ценности для каждого из сравниваемых вариантов и ранжировку вариантов по убыванию рассчитанного значения.

Модуль логического вывода реализует метод обратного вывода решений на основе базы знаний продукционного типа и используется в модулях:

•    PROTOTIP — для анализа совместимости технических реализаций при синтезе прототипа и дополнения таблицы критериальных оценок;

•    MORF — для вывода решения о допустимости либо недопустимости текущего сочетания технических реализаций различных составных частей;

•    ОВЫК2 — для управления процессом лабиринтного «конструирования».

В первых двух случаях модуль вывода использует заранее подготовленную базу знаний, содержащую два файла (рис. 4, 5), а в третьем база знаний по управлению процессом создается и корректируется динамически в ходе синтеза проектного решения. Для создания файлов формализованных правил (рис. 4) и их словаря (рис. 5) используется стандартный текстовой редактор.

Интерфейс пользователя представляет собой набор унифицированных программ ввода-вывода информации на экран, использующих библиотеку стандартных подпрограмм системы управления формами FMS и библиотеки пользовательских видеограмм двух типов — видеограммы ввода-вывода и HELP-видеограммы. Последние допускают их иерархическое соподчинение, что позволяет обеспечить гибкую и многоуровневую систему помощи пользователю в процессе работы с комплексом программ «Проект».

Интерфейс бая данных также реализован в виде набора унифицированных подпрограмм, вызываемых из функциональных модулей и обеспечивающих чтение (запись) в файлах БД.

Особенности программной реализации

Комплекс программ «Проект» реализован на ЭВМ типа СМ-4 в операционной системе ОС РВ (алгоритмический язык ФОРТРАН). Комплекс ориентирован на работу с БД САПР, представляющей собой систему файлов трех типов: файлы, общие для всех изделий всех классов (словари классов изделий, изделий, функций, показателей, составных частей); файлы, общие для всех изделий одного класса (файлы функций и показателей); файлы, общие для изделий определенного класса и подкласса (файлы критериальных оценок изделий). Основные ограничения на область применения комплекса «Проект» следующие. Проектируемое изделие выполняет до 50 существенных функций, характеризуемых незави-

Рис, 4, фрагмент Файла формализованных правил

Рис. 5. фрагмент словаря правил и фактов

симыми показателями (критериями в пределах 100), причем выполнение каждой функции характеризуется не более чем 5 показателями. Структура проектируемого изделия имеет 2 уровня: изделие в целом и его составные части. Значение каждого показателя определяют до 5 взаимодействующих составных частей. При решении задач многокритериального выбора базового образца, технической реализации, варианта облика рассматривается не более 100 альтернативных вариантов, используется аддитивная свертка одномерных функций ценности и кусочно-линейная аппроксимация каждой из них по 3 точкам (см. рис. 3). При формировании технического облика проектируемого изделия рассматривается до 20 определяющих его составных частей с числом возможных реализаций каждой из них в пределах 10. В 1989 г. сдан в опытную эксплуатацию комплекс программ «Проект» для задач автоматизации проектирования оборудования для комплексной механизации животноводства и кормопроизводства.