Software & Systems

Новые информационные технологии и автоматизация проектирования

Сфера обработки информапии в настоящее время становится "узким местом" в общественном производстве, во многом определяя перспективы его развития [5]. Суть проблемы заключается в следующем.

С одной стороны, наблюдается значительный рост всех структур, связанных с целенаправленной деятельностью людей (так, сложность структуры технических систем удваивается каждые 10-15 лет [2]). Считается, что объем обрабатываемой информации, связанной с управлением, проектированием и планированием таких структур, растет экспоненциально с ростом сложности последних. С другой стороны, традиционные технолоши сбора, хранения, передачи и обработки информации, ориентированные на экстенсивные факторы развития и связанные в основном с увеличением численности работающих, обеспечивают лишь ограниченный рост производительности труда, поэтому ситуация, когда сложность задач превысит возможности их решения традиционными средствами, неизбежна.

Выход видится в создании новых информационных технологий. В сфере проектирования новые информационные технологии связаны с автоматизацией научно-исследовательских и проекта о- конструкторских работ, с созданием интегрированных систем автоматизации научных исследований / проектирования / производства (САПР).

Математическое и программное обеспечение ("МО/ПО) является важнейшей составляющей комплекса САПР [2, 4|. В развитии МО/ПО условно можно выделить три этапа, теспо связанные с развитием технического обеспечения САПР,

•       Для первого характерна разработка отдельных моделей, алгоритмов и программ. На этом этапе были автоматизированы некоторые участки научно-исследовательс ких и опытно-конструкторских работ, связанные в основном с трудоемкими инже нерными расчетами. ЭВМ при этом использовались как большие арифмометры. В литературе этот этап иногда называют этапом механизации проектно-копструкторс- ких работ. Несмотря на некоторые достижения механизации, основные проблемы проектирования сложных систем не были и не могли быть решены — в частности, существенно не повысилась производительность труда конструкторов. "Узкие мес та", например проблемы сбора, хранения, обработки и передачи значительной по объему информации, отражающей состояние проекта, оставались.

•       Второй этап связан с информационным комплсксированием программных средств, с возможностью создания сквозной технологии автоматизированного проектирования. Появляются так называемые интегрированные САПР, дозволяю щие информационно объединять деятельность коллектива проектировщиков на всех стадиях разработки проекта [2, 4,5]. Современные интегрированные системы позво ляют в 2-3 раза сократить время проектирования и доводки летательных аппаратов, в 3-5 раз - время подготовки их производства [2|.

Однако и в рамках интегрированных САПР важнейшая проблема повышения качества проекта не находит должного решения. Информационная интеграция не обеспечивает оптимизации параметров и характеристик объекта, хотя и создает для нее известные предпосылки. Она достигается системной "увязкой" (координацией, согласованием) нроектно — конструкторских решений, принимаемых на всех уровнях иерархии в системе проектирования.

• На третьем этапе развития МО/ПО САПР широко используются иерархические системы принятия решений, принимаемых на всех стадиях и этапах проектирования объекта и его подсистем. Решение задач третьего этапа невозможно без создания общей теории иерархических систем проектирования — специального раздела системного анализа, теории систем, теории принятия решений — и ее приложений к конкретным предметным областям.

Кг

Этапы проектирования

В жизненном цикле сложной технической системы (ТС), под которым понимается структура се разработки, производства, эксплуатации и модификации, проектирование является важнейшей стадией. Оно, в свою очередь, разделяется на виешпее и внутреннее [1]. Выделение в структуре жизненного цикла сложной ТС стадий внешнего и внутреннего проектирования тесно связано со сложившейся организационной структурой проектирования, в которой обычно заказчик и разработчик принадлежат к разным ведомствам.

Вопросы технологии стыковки стадий внешнего и внутреннего проектирования, обеспечивающей сквозную разработку проекта технического объекта, являются одними из важнейших. Их решение в САПР происходит в специальной подсистеме формирования облика, согласующей требования внешнего проектирования с возможностями внутреннего. Рассмотрим общую схему такой стыковки.

Если исходить из предположения, что описание (моделирование) ТС на стадии внешнего проектирования осуществляется в терминах ее функциональных характеристик или критериев качества функционирования, то техническая реализуемость (существование) ТС с заданными значениями критериев ф = (tp^ . . . , ф ) априори неизвестна. Это выясняется позже, на стадии внутреннего проектирования!

В рамках рассматриваемой схемы результатом исследований, проводимых заказчиком на стадии внешнего проектирования, является техническое задание, формализация требований которого приводит к формированию концепции сравнения (выбора) синтезируемых на стадии внутреннего проектирования вариантов ТС (альтернатив). Подходящим языком для ее описания служат бинарные отношения Ф , задаваемые в критериальном пространстве {ф}. Задача разработчика на стадии внутреннего проектирования, точнее, на ее раннем этапе — этапе предварительного проектирования — заключается в синтезе одного, нескольких или всех максимальных [8] по Ф вариантов системы, где Ф — отношение на множестве X альтернатив системы, порожденное Ф . Распространенным подходом к решению данной задачи является так называемый синтез через анализ, в рамках которого основной задачей разработчика является генерация конкурирующих альтернатив X.

Окончательное решение как основа технических предложений выбирается лицом, принимающим решение (ЛПР). Неприемлемые для ЛПР результаты приводят к необходимости проведения следующей итерации согласования на основе коррекции концепции сравнения Ф заказчиком или (и) множества конкурирующих аль-терпатив X разработчиком системы.

Рассмотрим пример описания обшей схемы. Здесь формализация требований технического задания приводит к построению области II, в пространстве критериев {ф}. Цель предварительного проектирования заключается в синтезе реализуемых вариантов системы со зпачением критериев (p.efi,. Если такие варианты системы существуют, окончательный выбор из их числа осуществляет разработчик; и противном случае заказчик изменяет (расширяет) область 11,, после чего реализуется сле-дуюшая итерация процесса. Большое количество итераций ввиду сложности моделирования ТС на практике, как правило, невозможно.

Введем бинарное отношение Ф в пространстве {ф}, положив тервативами из X являются варианты ТС со значениями критериев ф.еО,. Таким образом, рассматриваемая процедура согласования является частным случаем описанной схемы.

Характерной особенностью внешнего проектирования является иерархичность его структуры, объективная необходимость в которой обусловлена как концептуальными (постановочными), так и технологическими (вычислительными) аспектами реализации задачи проектирования. Первые связаны с иерархически структурированной системой задач, решаемых сложной ТС; вторые — с существенными различиями в трудности сравнения различных вариантов по критериям разных уровней иерархия. Переход от одного отношения Ф к иерархической системе отношений, максимизация по которым формализует цели проектирования, реализует декомпозицию внешнего проектирования.

Постановка задачи проектирования

Постановка задачи проектирования сложных технических систем осуществляется в несколько этапов (рис.1).

Цели проектирования на первом этапе формулирует заказчик, в роли которого обычно выступает разработчик системы более высокого уровня.

На следующем этапе, на котором определяется объект проектирования (ОП), фактически решается часть задачи формирования облика. Далее происходит создание математической модели объекта проектирования, для формулировки которой необходимо иметь математическое описание собственно технической системы в виде набора проектных параметров и ограничений, составляющее структурно-параметрическую модель объекта проектирования, и модель функционирования.

На остальных этапах постановки задачи проектирования появляется ее строгая математическая формулировка, ориентированная на применение ЭВМ; при этом возникает целый ряд проблем. Так, не все требования технического задания удается сразу формализовать. Это относится, например, к формированию области поиска решения и принципа оптимальности, к требованиям удобства в эксплуатации, комфорта, эстетики внешнего вида системы и т.п., которые обычно определяются экспертным путем [3].

Особенно сложен последний этап. Используя формальные конструкции, удается лишь приблизиться к тем принципам оптимальности, которыми оперирует заказчик (ЛПР) при оценке эффективности системы. Как правило, представления ЛПР об оптимальности по содержанию намного богаче тех, которые он сумел сообщить в тех-задании и которые удалось формализовать. Отсюда следует, что после постановки задачи проектирования на ЭВМ в процессе решения и анализа ее постановка будет корректироваться по меньшей мере за счет уточнения принципа оптимальности. Таким образом, схема на рис.1 описывает только одну итерацию единого процесса постановки-решения задачи проектирования.

Одной из задач математического моделирования процесса проектирования является описание процессов постановки и решения задач проектирования на основе иерархии математических моделей объекта.

Пусть варианты технической системы описываются набором проектных параметров х, принимающим значения из множества X. Задание множества X отражает опыт проектирования систем аналогичного назначения, требования к системе, формулируемые на этапе внешнего проектирования, физические законы функционирования и тд. Обычно X "вырезается" из множества всех технически реализуемых вариантов проектируемой системы некоторой совокупностью ограничений (равенств и неравенств), вытекающих из требований технического задания и структурно-параметрического описания системы.

Сравнение результатов функционирования для всевозможных пар альтернатив из X определяет на множестве X бинарное отношение сравнительной эффективности Ф (ср. с этапами проектирования). Под задачей проектирования понимается выделение ядра — множества максимальных элементов из X по бинарному отношению Ф [8]:

х' = Мах(Х,Ф)                                                 (1)

Отметим, что (1) в качестве частных случаев включает в себя задачи однокритериальной оптимизации (оптимального проектирования) и типичные задачи многокритериальной оптимизации (например отыскания оптимума Парето [8]).

Принятие проектных решений в САПР

Процесс решения задачи проектирования (1) в САПР — это процесс принятия просктно-конструкторских решений. Следует учесть, что для действительно сложных о&ьектов прямое решение на ЭВМ задачи (1) известными методами оптимизации на практике невозможно. Дело не только в объеме вычислений, но и в том, что сразу невозможно дать детальное описание объекта проектирования — множества X и принципа оптимальности Ф. Они появляются по мере детализации (проектной проработки) вариантов системы. Следовательно, требуется декомпозиция задачи (1), отражающая существенные черты реального процесса проектирования. Такая декомпозиция осуществляется в системе принятия проектных решений (СППР) — одной из важнейших подсистем любой САПР.

СППР в САПР сложных технических систем среди других подсистем занимает особое место. Во —первых, она является основным системообразующим фактором САПР: определяет связи других подсистем (моделей объекта проектирования, моделей функционирования, систем анализа и оптимизации), задает требования к общему системному матобеспечению САПР и ее техническим средствам, организационной структуре. Во-вторых, принципы построения СППР являются в большой степени "инвариантными" по отношению к объекту проектирования. Это означает, что в основу СППР для широкого класса объектов могут быть положены одни и те же методы. Таким образом, изучение и выбор архитектуры СППР методами системного анализа — это одна из первых стадий разработки САПР, являющаяся сложной opia-низапионно-технической человеко-машинной системой.

Одним из общих методов решения задачи (1) (принятия проектных решений) является широко известный метод последовательного анализа вариантов (1,6].

Введем систему бинарных отношений V , V . . ., V на множестве X, аппроксимирующих Ф "изнутри", т.е. УСф, 1 = 1, р, и обладающих свойством полноты:

Тоща, как показано в [1], решение задачи (1) может быть получено по следующей схеме последовательного анализа (отбраковки) вариантов (рис. 2);

Другими словами, при выполнении необременительных для практики условий гарантируется приемлемое представление решения X множеством Y , полученным из (2).

Естественно, применение схемы (2) оправдано, если отношения V являются более простыми, чем исходное бинарное отношение Ф, и в то же время позволяют эффективно отбраковывать неперспективные варианты проектируемой системы. Таким образом, проблема сводится к построению подходящего, согласованного с Ф набора отношений V; их можно построить для задач проектирования управляемых динамических систем [1].

Метод (2) можно назвать методом декомпозиции задачи (1) в пространстве критериев (бинарных отношений), для которого характерен единственный уровень (х, X) описания проектируемого объекта. На практике в САПР используется многоуровневое описание объекта и иерархически организованная система моделей функционирования. Это позволяет реализовать в СППР и другой подход к принятию проектных решений, связанный с постепенной детализацией вариантов объекта от самого агреги ров энного описания на стадиях внешнего и предварительного проектирования до подробного описания на этане рабочего проектирования.

Указанные два принципиальных подхода к решению задачи проектирования вместе с учетом блочной структуры любого сложного объекта дают возможность построить в САПР множество иерархических схем проектирования — архитектур СППР [1].

Отметим еще ряд особенно-стей принятия проектных решений в САПР. Они указывают на существенное отличие проблем принятия решений в САПР от традиционных проблем оптимизации, хотя системы оптимизации (в том числе и многокритериальной) являются обязательной составной частью СППР САПР сложных технических систем.

Процесс проектирования протекает сверху вниз: по мере нарастания глубины проработки объекта проектирования (ОП) увеличивается детальность его описания. Проектно-конструкторские решения на всех этапах принимаются в условиях неопределенности, связанных с наличием неконтролируемых факторов — параметров внешней среды, с агрегированпым описанием ОП на ранних этапах, с использованием упрощенных моделей функционирования ОП и его подсистем и методов оценки качества функционирования, с распараплсливанием процесса проектирования, с неполнотой информации, получаемой в вычислительном, иолунатурном и натурном экспериментах и тд. Весь ход разработки можно представить как процесс снятия неопределенности. В этот процесс приходится вовлекать и эксперта (ЛПР).

Сложность обстановки, присутствие контролируемых факторов могут привести на первых порах к принятию далеко не самых рациональных и приемлемых решений, чем объясняется итерапионно-циклический характер автоматизированного п роекти рования.

Наконец, разработкой технической системы необходимо управлять. Управление строится на базе контроля за ходом разработки. Целью управления может быть получение оптимального проекта с минимальными затратами ресурсов (времени, средств и т.д.).

Формирование облика летательного аппарата

Проиллюстрируем сказанное примером формирования облика маневренного летательного аппарата (ЛА), который представляет собой сложную управляемую динамическую систему.

Постановка задачи формирования облика. Поскольку понятие маневренности в литературе трактуется неоднозначно, то воспользуемся наиболее общим определением, содержащимся в работах B.C. Пышнова, в которых под маневренностью понимается совокупность всех движений ЛА. Таким образом, цель проектирования — создание ЛА, обладающего этой совокупностью.

В качестве объекта проектирования выберем ЛА, полет которого происходит в плотных слоях атмосферы на небольших углах атаки с небольшой по сравнению с космической скоростью. Тогда функционирование (полет) ЛА достаточно адекватно для этапа формирования облика описывается уравнением движения его центра масс [1, 2, 9], т.е. моделями ЛА как материальной точки постоянной или переменной массы.

Структурно-параметрическое описание ЛА на этапе формирования облика (предварительного проектирования) может быть осуществлено параметрами, удовлетворяющими соответствующей совокупности ограничений: 10-15 на верхнем уровне и 80-100 на нижнем [2,9). Следует отметить, что структурно-параметрическое описание сложных технических систем представляет самостоятельную проблему, для решения которой могут оказаться полезными и методы искусственного интеллекта [7].

Формализация задачи формирования облика требует, прежде всего, формулировки принципа оптимальности. В [1] эффективность понятия маневренности ЛА полностью определяется следующими четырьмя показателями (модель ЛА как точки постоянной массы): максимальная нормальная перегрузка — характеристика разворота, минимальная продольная перегрузка - характеристика торможения, максимальная продольная перегрузка — характеристика разгона, производная нормальной перегрузки по углу атаки — характеристика несущей способности крыла.

Принцип оптимальности задается отношением Парето [8] по данным четырем критериям.

Требования ТЗ формализуются в виде ограничений на основные летно-техничес-кие характеристики ЛА (скорость, потолок, дальность полета и т.п.), а также на полезную нагрузку и взлетный вес [9]. Область поиска определяется пределами изменения некоторых проектных параметров: стекловидности, размаха, сужения, удлинения крыла, диаметра входа в двигатель и тд.

При описании схемы формирования облика подразумевается наличие соответствующих подсистем для вычисления аэродинамических харакгеристик, веса ЛА, вы-сотно-скоростных и расходных характеристик двигателя .. . Таким образом, уже на первом этапе предварительного проектирования возникают достаточно сложные задачи, решаемые в подсистеме соответствующего уровня САПР ЛА (рис.3).

На рис. 4 приведено изображение облика одного из выбранных Парето-опти-мальных вариантов самолета так называемой компоновочной схемы "утка" [9], а детализация проекта ЛА по мере его проработки рассматривается на рис. 5-8. Происходит это на базе более совершенных, чем на первом этане, математических моделей ЛА и методов теории принятия решений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Вяэгин В.А., Федоров В.В. Математические методы автоматизированного проектирования. М.: Высшая школа, 1989.

2.      Егер СМ., Лисейцей Н.К., Самойловнч О.С. Основы автоматизированного проектирования самолетов. М.: Машиностроение, 1986.

3.  Емельянов СВ., Ларичев О.И. Многокритериальные методы принятия решений. М.: Знание. Сер. "Математика, кибернетика", 1985, N10.

4.  Корячко В.П., Курейчнк В.М., Норенков И.П. Теоретические основы САПР. М.: Энергоатомиздат, 1987.

5.  Краснощекое П.С, Петров А.А., Федоров В.В. Информатика и проектирование. М.: Знание. Сер. "Математика, кибернетика", 1986, N10.

6.  Михалевич B.C., Волкович ВЛ. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. М.: Наука, 1982.

7.  Ннльсон Н. Принципы искусственного интеллекта. М.: Радио и связь, 1985.

8.  Полиновскин В.В., Ногин В.Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач. М.: Наука, 1982.

9.  Проектирование самолетов / Под ред. СМ. Егера. М.: Машиностроение, 1983.