Материал: Автоматизация проектирования систем и средств управления. Учебное пособие. Кисурин А.А., Беспаленко В.Д

различают задачи одно- и многокритериальные. По степени неопределенности различают ЗПР детерминированные, ЗПР в условиях риска - при наличии в формулировке задачи случайных параметров, ЗПР в условиях неопределенности, т. е. при неполной или недостоверной исходной информации.

Реальные задачи проектирования, как правило, являются многокритериальными. Одна из основных проблем постановки многокритериальных задач - установление правил предпочтения вариантов. Способы сведения многокритериальных задач к однокритериальным и последующие пути решения изучаются в дисциплинах, посвященных методам оптимизации и математическому программированию.

Наличие случайных факторов усложняет решение ЗПР. Основные подходы к решению ЗПР в условиях риска заключаются или в решении «для наихудшего случая», или в учете в целевой функции математического ожидания и дисперсии выходных параметров. В первом случае задачу решают как детерминированную при завышенных требованиях к качеству решения, что является главным недостатком подхода. Во втором случае достоверность результатов решения намного выше, но возникают трудности с оценкой целевой функции. Применение метода МонтеКарло в случае алгоритмических моделей становится единственной альтернативой и, следовательно, для решения требуются значительные вычислительные ресурсы,

Существуют две группы ЗПР в условиях неопределенности. Одна из них решается при наличии противодействия разумного противника. Такие задачи изучаются в теории игр, для задач проектирования в технике они не характерны. Во второй группе противодействие достижению цели оказывают силы природы. Для их решения полезно использовать теорию и методы нечетких множеств.

Например, при синтезе структуры автоматизированной системы постановка задачи должна включать в качестве исходных данных следующие сведения:

• множество выполняемых системой функций (другими словами, множество работ, каждая из которых может состоять из одной или более операций); возможно, что в этом множестве имеется частичная упорядоченность работ, что может быть представлено в виде ориентированного графа, в котором вершины соответствуют работам, а дуги - отношениям порядка;

•типы допустимых для использования серверов (машин), выполняющих функции системы;

•множество внешних источников и потребителей информации;

•во многих случаях задается также некоторая исходная структура системы в

виде взаимосвязанной совокупности серверов определенных типов; эта структура может рассматриваться как обобщенная избыточная или как вариант первого приближения;

• различного рода ограничения, в частности, ограничения на затраты материальных ресурсов и (или) на времена выполнения функций системы.

Задача заключается в синтезе (или коррекции) структуры, определении типов серверов (программно-аппаратных средств), распределении функций по серверам

13

таким образом, чтобы достигался экстремум целевой функции при выполнении заданных ограничений.

Конструирование, разработка технологических процессов, оформление проектной документации - частные случаи структурного синтеза.

Задачу параметрического синтеза называют параметрической оптимизацией (или оптимизацией), если ее решают как задачу математического программирования

extrF(X), X Dx,

где F(X) - целевая функция; Х - вектор управляемых (называемых также проектными или варьируемыми) параметров; Dx = {X | (Х) < 0, (X) = 0} -допустимая область; (Х) и (X) - функции-ограничения.

Рис.1.1 Классификация проектных процедур

Следующая после синтеза группа проектных процедур - процедуры анализа. Цель анализа - получение информации о характере функционирования и значениях выходных параметров Y при заданных структуре объекта, сведениях о внешних параметрах Q и параметрах элементов X. Если заданы фиксированные значения параметров Х и Q, то имеет место процедура одновариантного анализа, которая сводится к решению уравнений математической модели, например, такой, как модель (1), и вычислению вектора выходных параметров Y. Если заданы статистические сведения о параметрах Х и нужно получить оценки числовых характеристик

14

распределений выходных параметров (например, оценки математических ожиданий и дисперсий), то это процедура статистического анализа. Если требуется рассчитать матрицы абсолютной А и (или) относительной В чувствительности, то имеет место задача анализа чувствительности.

Элемент Аji матрицы А называют абсолютным коэффициентом чувст-

вительности, он представляет собой частную производную j-го выходного параметра уj по i-ому параметру хi. Другими словами Аji, является элементом вектора градиента j-го выходного параметра. На практике удобнее использовать безразмерные относительные коэффициенты чувствительности Вji характеризующие степень влияния изменений параметров элементов на изменения выходных параметров:

Вji= Аji

где хiном и уiном - номинальные значения параметров хi и уi соответственно.

В процедурах многовариантного анализа определяется влияние внешних параметров, разброса и нестабильности параметров элементов на выходные параметры. Процедуры статистического анализа и анализа чувствительности - характерные примеры процедур многовариантного анализа.

Детерминированная верификация может быть направлена на выявление соответствия структур объектов, заданных двумя различными описаниями (структурная верификация), или значений выходных параметров (параметрическая верификация). Параметрическая верификация может выполняться по полной совокупности параметров или по их части, в последнем случае различают верификацию статическую, динамическую, в частотной области.

2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

Методика разработки САПР.

Создание систем автоматизированного проектирования — сложная научнотехническая проблема. Ее решение сопровождается большими затратами времени и средств. Так, затраты средств на создание одной САПР в среднем составляют несколько миллионов рублей. Трудоемкость разработки ПО для САПР машиностроительного или приборостроительного предприятия оценивается сотнями — тысячами человеко-лет. В общем цикле проектирования САПР большое значение имеют научно-исследовательские работы, связанные с разработкой моделей, методов, алгоритмов автоматизированного проектирования, поиском путей их эффективной реализации. Значительное место в проектировании САПР занимает процедуры разработки программно-методических комплексов.

15

Уровни и аспекты разработки САПР.

Условия, в которых создаются конкретные САПР, разнообразны, потому существует ряд вариантов методик разработки САПР. Содержимое методики, сроки и затраты на проектирование и создание САПР зависят от того, насколько радикальны преобразования проектной организации при переходе на автоматизированный стиль проектирования. Эволюционный путь внедрения автоматизированного проектирования (АП) подразумевает постепенный ввод в эксплуатацию вычислительных мощностей, длительное сосуществование неавтоматизированных и автоматизированных способов проектирования, сохранение в формах документов, инструкциях, штатных расписаниях особенностей и черт неавтоматизированного выполнения проектных процедур. Следствием такого подхода является то, что недостатки традиционного неавтоматизированного проектирования (низкая производительность труда проектировщиков и чрезмерные сроки проектирования) сказываются неопределенно долгое время. Оправданием для использования эволюционного пути могут быть только трудности радикальных преобразований, связанные с необходимостью больших затрат на создание САПР и недостаточной подготовленностью инженерных кадров к работе в САПР. Надо также учитывать, что методология АП развита в должной мере не во всех предметных областях и отраслях промышленности.

Система автоматизированного проектирования — сложная техническая система и ее проектирование должно основываться на блочно-иерархическом подходе. Основные аспекты проектирования САПР — аппаратный и программный. В большинстве случаев техническое обеспечение САПР компонуется из серийно выпускаемых промышленностью ЭВМ, периферийных устройств и сетевого оборудования.

Аппаратный аспект проектирования в основном связан с решением задач обоснованного выбора компонентов ТО и синтеза структуры вычислительных сетей и комплексов САПР, возможно также проектирование оригинальных средств - специализированных ЭВМ или процессоров отдельных проектных процедур с использованием заказных или полузаказных БИС и СБИС. Проектирование специализированных средств выполняется в рамках нескольких иерархических уровней, аналогичных уровням проектирования ЭВМ и БИС.

Программный аспект проектирования связан с выбором или разработкой общесистемного, базового и прикладного программного обеспечения. В большинстве случаев проектирование общесистемных и базовых программных средств сводится к выбору подходящих операционных систем, трансляторов с языков программирования, базовых пакетов машинной графики и т. п. из числа ранее созданных и поставляемых предприятиями — изготовителями ЭВМ и АРМ или специализированными предприятиями по разработке программных средств. Большинство программно-методических комплексов, отражающих специфику проектирования конкретных объектов и относящихся к прикладному программному обеспечению, среди ранее созданных, как правило, отсутствует и разрабатывается заново.

16

Разработка ПМК ведется также на основе блочно-иерархического подхода с выделением рассмотренных выше уровней системного, прикладных программ и подпрограмм. Существенная особенность разработки ПМК САПР — отсутствие в большинстве случаев априорно заданного МО. Поэтому создание ПМК включает:

формирование ММ для элементов проектируемых систем; выбор методов анализа или синтеза; разработку алгоритмов проектных операций и процедур. При проектировании ПМК решаются также задачи создания языков проектирования, баз знаний и данных.

Таким образом, проектирование САПР включает несколько иерархических уровней. На верхнем системном уровне разрабатываются структуры технического и программного обеспечения исходя из данных по номенклатуре и объему проектных работ, маршрутам проектирования, перспективам развития отрасли. На последующих иерархических уровнях создаются оригинальные ПМК и специализированные технические средства по ТЗ, сформулированным на системном уровне.

Этапы создания проекта САПР.

Рассмотрим этапы синтеза структуры САПР, выполняемые на системном уровне.

Этап 1 — сбор данных о содержании и объемах проектных работ. Выясняются классы проектируемых объектов, интенсивность поступления заявок на проектирование, размерности проектных задач в момент проектирования САПР и с учетом прогнозов на будущее.

Этап 2 — построение маршрутов проектирования. Номенклатура проектируемых объектов может быть достаточно широкой, поэтому желательно индивидуальные маршруты объединять в один или несколько обобщенных маршрутов. Каждый обобщенный маршрут представляет собой описание последовательности проектных процедур с возможными разветвлениями. Должны быть сформулированы условия разветвлений. Например, в обобщенном маршруте проектирования БИС содержание и состав ряда проектных процедур оказываются различными для разных типов БИС (памяти, микропроцессоров, ПЛМ, полузаказных на базовых матричных кристаллах, заказных). Поэтому в маршруте проектирования БИС будут соответствующие разветвления, выбор ветви происходит по истинности некоторого предиката. Например, ТИП БИС=Аi, где Ai — признак i-й ветви, ТИП БИС задается в ТЗ. При разработке маршрутов проектирования устанавливается не только последовательность выполнения проектных процедур, но и основные информационные связи между процедурами, а также между процедурами и внешней средой. Принимаются предположения о том, какие из этих связей будут осуществляться через посредство БД. С учетом того, что база данных может быть разделена на интегрированную, локальные и оперативные, желательна конкретизация типов БД, с которыми процедуры взаимодействуют.

Этап 3 — установление зависимостей между характеристиками проектируемых объектов, размерностями их моделей и затратами вычислительных ресурсов

17