Классификация объектов проектирования и их параметров

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Инженерная деятельность человека связанна прежде всего с разра­боткой технических объектов - с их проектированием. Проектирование - это комплекс работ по изысканиям, исследованиям, расчетам и конструированию, имеющих целью получение всей необходимой документации для создания новых изделий или реализации новых процессов, удовлетворяющих заданным требованиям. Введение ЭВМ в любую область человеческой деятельности требует пересмотра мно­гих сложившихся представлений в сторону большей формализации, большей строгости определения понятий, однозначности толкования терминов, четкости классификаций. В этом отношении не может быть исключением и область проектирования технических объектов. В дан­ной главе рассматриваются объекты, этапы и задачи проектирования с введением той степени упорядоченности понятий, которая необхо­дима при автоматизации проектирования.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИХ ПАРАМЕТРОВ

Блочно-иерархический подход к проектированию сложных систем. Прогресс науки и техники неизбежно приводит к появлению все более сложных технических объектов - сложных систем, состоящих из большого количества взаимодействующих элементов. Разработка этих объектов занимает несколько лет и требует привле­чения значительного числа специалистов. Такие сроки проектиро­вания часто неприемлемы, так как оказываются соизмеримыми с вре­менем морального износа. Поэтому две противоречивые тенденции - усложнение систем и сокращение сроков проектирования - делают автоматизацию про­ектирования сложных систем насущной необходимостью. При применении систем автоматизированного проектирования (САПР), как и в рамках традиционных методов, сохраняется целе­сообразность использования блочно - иерархического подхода к проектированию сложных систем. При блочно - иерархическом подходе процесс проектирования и представления о самом объекте расчленяется на уровни. На " высшем" уровне используется наименее детализированное представление, отражающее только самые общие черты и особенности проектируемой системы. На каждом новом последовательном уровне разработки сте­пень подробности рассмотрения возрастает, при этом система рассматривается не в целом, а отдельными блоками. Такой подход поз­воляет на каждом уровне формулировать и решать задачи приемлемой сложности, поддающиеся уяснению и пониманию человеком и решению с помощью имеющихся средств проектирования. Разбиение на блоки должно быть таким, чтобы документация на блок любого уровня была обозрима и воспринимаема одним человеком. Преимущества блoчнo - иeрархического подхода состоят в том, что сложная задача большой размерности разбивается на последовательно решаемые задачи малой размерности. Недостатки блочно - иерархического подхода вытекают из того обстоятельства, что на каждом уровне работа ведётся с не до конца определенными объектами. Действительно, в качестве элементов на k-м уровне используются достаточно сложные объекты, которые будут рассматриваться как системы на следующем (k+1)-м уровне. На k-м уровне эти элементы еще не определены, так как структура k-го уровня сложной системы формируется до того, как будут спроекти­рованы элементы. Следовательно, решения принимаются в обстановке неполной информации, т. е. без строгого обоснования. Оптимальность может быть достигнута только на отдельных уровнях при ограничивающих условиях, вытекающих из природы блочно-иерархического подхода, т. е. не являющихся принципиально необходимыми. Однако в целом какой-либо удачной альтернативы блочно-иерархическому под­ходу нет, и приходится соглашаться на возможные отклонения от оптимальных вариантов. В условиях блочно-иерархического проектирования на каждом уровне имеются свои представления о системе и элементах. То, что на более высоком k-м уровне называлось элементом, становится системой на следующем (k +1)-м уровне. Часто элементы самого низшего из уровней, на которых ведется рассмотрение, называют базовыми элементами или компонентами. Большинство инженеров участвую­щих в проектировании, имеют дело с системами и элементами некото­рого уровня, проектируемые ими объекты непосредственно не всегда являются сложными системами, хотя, в конечном счёте, многие из этих объектов входят в состав сложных систем. Деление на иерархические уровни сложных систем в различных областях техники. Существующее по ЕСКД деление схем на принципиальные, функциональные, структурные отражает принципы блочно-иерархического проектиро­вания. Принципиальные схемы определяют полный набор базовых элементов и связей между ними и обычно дают детальное представление о принципах работы изделия. Функциональные схемы разъясняют протекание определенных процессов в изделии или его частях, т. е. дают представление о функционировании объекта с учетом только существенных факторов и функциональных частей. Структурные схемы дают наиболее общее и наименее детализированное представление об объекте, определяя основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи. При проектировании цифровой вычисли­тельной аппаратуры существует деление на иерархические уровни. На низшем уровне проектируются принци­пиальные схемы, в которых элементами явля­ются ЛЭ - логический элемент, на следующем уровне - функци­ональные схемы, иногда называемые регистро­выми схемами при рассмотрении ФУ - функциональный узел в качестве элементов, далее - структурные схемы с ФУС - функциональное устройство в качестве элементов. Часто можно встретить разбиение аппаратуры и процесса ее проектирования на большее чис­ло уровней. Так, при разработке цифровой аппаратуры уровень функцио­нальных схем разбивается на подуровни проектирования логических и регист­ровых схем, при проектировании структурных схем можно выделить подуровни проектирования структурных схем отдельных вычислительных машин и струк­турных схем вычислительных систем и сетей. Конструкторская иерархия не всегда совпадает с функциональной, на­пример в конструкциях вычислительных машин различают следующие иерар­хические уровни: 1) объект конструирования - стойка, состоящая из рам и дополнительных устройств типа блоков питания и систем охлаждения; 2) кон­струирование рамы, состоящей из панелей; 3) конструирование панели, состоя­щей из типовых элементов замены (ТЭЗов); 4) конструирование ТЭЗа (элемен­тами этого уровня оказываются модули). Примером блочно-иерархического подхода к проектированию может слу­жить также сложившаяся практика архитектурно-строительного проектиро­вания промышленных предприятии. Эта практика отражена, в частности, в АСПОС - автоматизированной системе проектирования объектов строи­тельства, где можно выделить следующие иерархические уровни: 1) подсис­тема «регион», занимающаяся планировкой, размещением городов, поселков и трассировкой коммуникаций в масштабе региона; 2) подсистема «город»; 3) под­система «комплекс»; на этом уровне проектируется план размещения зданий на площадке и решаются следующие задачи: а) выявление всех функциональных связей между этапами технологического процесса; б) определение количества зданий и компоновка технологических отделений по зданиям; в) определение типов зданий и их формы в плане; г) расчет габаритов зданий; д) размещение зданий на площадке; е) трассировка коммуникаций, размещение ворот, эстакад и т. п. Результатом проектирования на третьем уровне является общая схема генерального плана предприятия и выбор объемно-планировочных решений зданий; 4) проектирование собственно зданий. Здесь выбираются ограждаю­щие и несущие конструкции, т. е. определяются их тип, форма, материалы, раз­меры, осуществляется выбор систем освещения, отопления, вентиляции. В системах строительного проектирования можно назвать также уровень проектирования несущих конструкций, элементов систем освещения, отопле­ния и др. В качестве следующего примера блочно - иерархического подхода к проекти­рованию можно привести структуру АСТхПП - автоматизированной системы технологической подготовки производства. В некоторых случаях проектиро­вание технологических процессов тесно связано с конструкторским проектиро­ванием, поэтому иерархия проектирования технологических процессов анало­гична конструкторской иерархии. Однако чаще АСТхГТД достаточно самостоя­тельны, при этом в проектировании технологических процессов различают следующие основные иерархические уровни: 1) маршрутная технология; 2) опе­рационная технология; 3) инструмент и оснастка. По ЕСКД установлена иерархия изделий машиностроения, включающая уровни: 1) детали, 2) сборочные единицы, 3) комплексы, 4) комплекты (например, зубчатое колесо, вал, шпонка - детали, входящие в редуктор; редуктор - сборочная единица, которая в свою очередь является элементом станка; станок - сборочная единица более высокого иерархического уровня, станок может оказаться элементом комплекса станков - поточной линии). При проектировании оптических систем можно выделить по крайней мере три иерархических уровня разработки. На высшем уровне - уровне А - устанавливается структурная схема, т. е. определяется количество узлов системы, их взаимное расположение, ориентировочные размеры и фокусные расстояния, (этот уровень принято называть габаритным расчетом). На среднем уровне Б осуществляется конструирование узлов; на низшем уровне В проектируются элементы узлов - линзы, зеркала и т. п. Иерархия рассмотрения и разработки существует и при проектировании вычислительных процессов. Здесь выделяют следующие уровни: 1) разработка состава модулей, информационных связей между ними, структуры информа­ционных массивов, т. е. разработка укрупненной блок -схемы программного комплекса; 2) разработка структурных схем отдельных модулей; 3) запись каждого блока на выбранном языке программирования. Блочно - иерархическое представление об объекте проектирования можно назвать расчленением на горизонтальные уровни. В свою очередь на горизонтальных уровнях можно выделить задачи проектирования схем, конструкций, технологий. Сово­купность задач проектирования схем часто называют функциональным уровнем проектирования, совокупность задач конструирования - конструкторским уровнем проектирования и совокупность технологических задач - технологическим уровнем проектирования. Каждый из этих уровней охватывает соответствующие задачи со всех или большинства горизонтальных уровней и естественно их называть вертикальными уровнями.