Система автоматизированного проектирования (САПР)

Специально выпускаемые ЭВМ как серверы высокой производительности обычно имеют структуру симметричной многопроцессорной вычислительной системы. В них системная память разделяется всеми процессорами, каждый процессор может иметь свою сверхоперативную память сравнительно небольшой емкости, число процессоров невелико (единицы, редко более десяти). Например, сервер Enterprise 250 (Sun Microsystems) имеет 1-2 процессора, его цена в зависимости от комплектации колеблется в диапазоне 24-56 тыс. долларов, а сервер Enterprise 450 с четырьмя процессорами стоит от 82 до 95 тысяч долларов.

Периферийные устройства. Для ввода графической информации с имеющихся документов в САПР используют дигитайзеры и сканеры.

Дигитайзер применяют для ручного ввода. Он имеет вид кульмана, по его электронной доске перемещается курсор, на котором расположен визир и кнопочная панель. Курсор имеет электромагнитную связь с сеткой проводников в электронной доске. При нажатии кнопки в некоторой позиции курсора происходит занесение в память информации о координатах этой позиции. Таким образом может осуществляться ручная “сколка” чертежей.

Для автоматического ввода информации с имеющихся текстовых или графических документов используют сканеры планшетного или протяжного типа. Способ считывания -- оптический. В сканирующей головке размещаются оптоволоконные самофокусирующиеся линзы и фотоэлементы. Разрешающая способность в разных моделях составляет от 1200 до 4800 точек на дюйм (этот параметр часто обозначают dpi). Считанная информация имеет растровую форму, программное обеспечение сканера представляет ее в одном из стандартных форматов, например TIFF, GIF, PCX, JPEG, и для дальнейшей обработки может выполнить векторизацию -- перевод графической информации в векторную форму, например, в формат DXF.

Для вывода информации применяют принтеры и плоттеры. Первые из них ориентированы на получение документов малого формата (А3, А4), вторые -- для вывода графической информации на широкоформатные носители.

В этих устройствах преимущественно используется растровый (т.е. построчный) способ вывода со струйной технологией печати. Печатающая система в струйных устройствах включает в себя картридж и головку. Картридж -- баллон, заполненный чернилами (в цветных устройствах имеется несколько картриджей, каждый с чернилами своего цвета). Головка -- матрица из сопел, из которых мельчайшие чернильные капли поступают на носитель. Физический принцип действия головки термический или пьезоэлектрический. При термопечати выбрасывание капель из сопла происходит под действием его нагревания, что вызывает образование пара и выбрасывание капелек под давлением. При пьезоэлектрическом способе пропускание тока через пьезоэлемент приводит к изменению размера сопла и выбрасыванию капли чернил. Второй способ дороже, но позволяет получить более высококачественное изображение.

Типичная разрешающая способность принтеров и плоттеров 300 dpi, в настоящее время она повышена до 1200 dpi. В современных устройствах управление осуществляется встроенными микропроцессорами. Типичное время вывода монохромного изображения формата А1 находится в пределах от 2 до 7 мин, цветного -- в два раза больше.

Дигитайзеры, сканеры, принтеры, плоттеры могут входить в состав АРМ или разделяться пользователями нескольких рабочих станций в составе локальной вычислительной сети.

ГЛАВА IV. СИСТЕМНЫЕ СРЕДЫ И ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ САПР

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОГРАММНОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

Функции и характеристики. В ПО АС принято выделять общесистемное ПО, системные среды и прикладное ПО.

К общесистемному ПО относят операционные системы (ОС) используемых ЭВМ и вычислительных систем и сетевое ПО типовых телекоммуникационных услуг.

Различают ОС со встроенными сетевыми функциями и оболочки над локальными ОС. В соответствии с другим признаком классификации сетевые ОС подразделяют на одноранговые и функционально несимметричные (ОС для систем клиент-сервер).

Основные функции сетевой ОС:

-- управление каталогами и файлами;

-- управление ресурсами;

-- коммуникационные функции;

-- защита от несанкционированного доступа;

-- обеспечение отказоустойчивости;

-- управление сетью.

Управление каталогами и файлами является одной из первоочередных функций сетевой ОС, обслуживаемых специальной сетевой файловой подсистемой. Пользователь получает от этой подсистемы возможность обращаться к файлам, физически расположенным в сервере или в другой станции данных, применяя привычные для локальной работы языковые средства.

Управление ресурсами включает в себя функции запроса и предоставления ресурсов.

Коммуникационные функции обеспечивают адресацию, буферизацию, маршрутизацию сообщений.

Защита от несанкционированного доступа возможна на любом из следующих уровней: ограничение доступа в определенное время, и (или) для определенных станций, и (или) заданное число раз; ограничение совокупности доступных конкретному пользователю директорий; ограничение для конкретного пользователя списка возможных действий (например, только чтение файлов); пометка файлов символами типа “только чтение”, “скрытность при просмотре списка файлов”.

Отказоустойчивости определяется наличием у серверов автономных источников питания, отображением или дублированием информации в дисковых накопителях. Отображение заключается в хранении двух копий данных на двух дисках, подключенных к одному контроллеру, а дублирование означает подключение каждого из этих двух дисков к разным контроллерам. Сетевая ОС, реализующая дублирование дисков, обеспечивает более высокий уровень отказоустойчивости. Дальнейшее повышение отказоустойчивости связано с дублированием серверов.

Чем сложнее сеть, тем острее встают вопросы управления сетью. Основные функции управления сетью реализуются в ПО, поддерживающем протоколы управления такие, как ICMP и SNMP в стеке TCP/IP или протокол CMIP (Common Management Information Protocol) в семиуровневой модели ISO. Как рассмотрено выше, это ПО представлено менеджерами и агентами. Менеджер -- прикладная программа, выдающая сетевые команды. Агенты доводят эти команды до исполнительных устройств и сигнализируют о событиях в состоянии устройств, они следят за трафиком и фиксируют аномалии, помогают восстановлению информации после сбоев, борются с вирусами и т.п.

В сетевых ОС обычно выделяют ядро, реализующее большинство из перечисленных функций и ряд дополнительных программ (служб), ориентированных на реализацию протоколов верхних уровней, организацию распределенных вычислений и т.п. К сетевому ПО относятся также драйверы сетевых плат, различные для разных типов ЛВС (Ethernet, TR, AppleTalk и др.).

Системы распределенных вычислений. При выполнении проектных процедур с использованием более чем одного узла сети различают режимы удаленного узла и дистанционного управления (рис. 5.1).

Рис. 3.1. Удаленный узел и дистанционное управление

В режиме удаленного узла основные процедуры приложения исполняются на терминальном узле. Связь с удаленным узлом используется для пересылки файлов. В большинстве случаев режим удаленного узла приводит к более заметной инерционности связи, чем режим дистанционного управления.

Дистанционное управление обеспечивает передачу клавишных команд в прямом направлении и экранных изображений (обычно лишь изменений в них) в сжатом виде в обратном направлении, поэтому задержки меньше.

Системы распределенных вычислений основаны на режиме дистанционного управления, при котором терминальный узел используется преимущественно для интерфейса с пользователем и передачи команд управления, а основные процедуры приложения исполняются на удаленном узле (сервере). Поэтому в сетях распределенных вычислений должны быть выделены серверы приложений.

Программное обеспечение организации распределенных вычислений называют ПО промежуточного слоя (Middleware). Современная организация распределенных вычислений в сетях Internet/Intranet основана на создании и использовании программных средств, которые могут работать в различных аппаратно-программных средах. Совокупность таких средств называют также многоплатформенной распределенной средой-- МРС (Сrossware).

Находят применение технологии распределенных вычислений RPC (Remote Procedure Call), ORB (Object Request Broker), DCE (Distributed Computing Environment), мониторы транзакций ТРМ (Тransaction Рrocessing Мonitors) и др.

Средства RPC входят во многие системы сетевого ПО. RPC -- процедурная блокирующая синхронная технология, предложенная фирмой Sun Microsystems. Вызов удаленных программ подобен вызову функций в языке С. При пересылках на основе транспортных протоколов TCP или UDP данные представляются в едином формате обмена. Синхронность и блокирование означают, что клиент, обратившись к серверу, для продолжения работы ждет ответа от сервера.

Для систем распределенных вычислений разработаны специальные языки, например для RPC -- язык IDL (Interface Definition Language), который позволяет пользователю оперировать различными объектами безотносительно к их расположению в сети. На этом языке можно записывать обращения к серверам приложений.

Рассмотрим типичную схему реализации RPC.

Удаленная программа характеризуется атрибутами: имя узла, номер программы (часто номер означает совокупность программ определенного назначения), версия программы (версия -- это идентификатор копии программы, например, версия -- это время создания копии, копии создаются для использования в многопользовательском режиме), имя процедуры в программе.

Процедуры, которые пользователь собирается применять, необходимо зарегистрировать в узле клиенте, т.е. указать имена узла, программы, процедуры.

Обращение по RPC -- это обращение к сетевой программе Postmapper, находящейся в узле-клиенте. При обращении в запросе указываются процедура, аргумент, память под результат. Аргумент должен быть единственный, поэтому если аргументов много, то программист должен создать агрегат данных. Postmapper находит регистрационные данные и с помощью средств транспортного уровня устанавливает соединение и передает запрос серверу. В сервере имеется диспетчер, который находит исполнителя запроса. В ответе сервера содержатся результаты выполнения процедуры.

ОRB -- технология объектно-ориентированного подхода, базирующаяся на спецификациях CORBA. Спецификации CORBA устанавливают способы использования удаленных объектов (серверных компонентов) в клиентских программах. Взаимодействие клиента с сервером происходит с помощью программы-посредника (брокера) ORB. В случае применения ORB (в отличие от RPC) хранить сведения о расположении серверных объектов в узле-клиенте не нужно, достаточно знать расположение в сети брокера ORB. Поэтому доступ пользователя к различным объектам (программам, данным, принтерам и т.п.) существенно упрощен. Брокер должен определять, в каком месте сети находится запрашиваемый ресурс и инициализировать серверную программу. После этого клиент может направлять запрос в серверный узел, а после выполнения запроса сервер будет возвращать результаты пользователю.

Для описания интерфейсов распределенных объектов используют язык IDL, предложенный в CORBA. Этот язык отличается от языка IDL технологии RPC, в нем имеются средства описания интерфейсов, но нет средств описания операций.

При использовании ORB может увеличиться нагрузка на сеть, однако имеется и ряд преимуществ: обеспечивается взаимодействие разных платформ, не требуется дублирования прикладных программ во многих узлах, упрощается программирование сетевых приложений и поддержка мультимедиа.

В CORBA создан протокол IIOP (Internet Inter-ORB Protocol), который обеспечивает взаимодействие между брокерами разных производителей.

Мониторы транзакций отличаются от RPC наличием готовых процедур обработки транзакций (в том числе отката транзакций), что упрощает работу программистов. Принимая запросы от клиентов, и мультиплексируя их, монитор транзакций избавляет от необходимости создавать для каждого клиента отдельное соединение с БД. Мониторы транзакций могут оптимально распределять нагрузку на серверы, выполнять автоматическое восстановление после сбоя и перезапуск системы.

DCE разработана консорциумом OSF (Open Software Foundation). Она не противопоставляется другим технологиям (RPC, ORB), а является средой для их использования, например, в одной из реализаций DCE пакет Encina есть монитор транзакций, а пакет Orbix ORB представляет собой технологию ORB.

В DCE возможны одно- или многоячеечная структуры сети. Выделение ячеек производится по функциональным, а не по территориальным признакам. В каждой ячейке должен быть главный сервер данных и возможно несколько дополнительных серверов с копиями содержимого главного сервера, причем доступ к дополнительным серверам разрешен только для чтения. Обновление данных осуществляется исключительно через главный сервер. Ячейка может занимать значительную территорию, главный сервер размещается вблизи от центра ячейки, дополнительные серверы -- по периферии.

К функциям DCE относятся распределение вычислений по технологии RPC; распараллеливание вычислений (но программист сам проектирует параллельный процесс); защита данных; синхронизация (согласование времени); поддержка распределенной файловой системы.

Работая в DCE, пользователь дополнительно к своей прикладной программе пишет IDL-файл, в котором указывает свое имя, требуемые операции и типы данных. IDL-компилятор на основе этого файла создает три модуля: клиентский стаб (Сl), серверный стаб (Sr), головной файл (Hd). Cl содержит вызовы процедур, Sr -- обращения к базе процедур, Hd устанавливает связь между стабами.

Определение нужного сервера в DCE либо происходит автоматически с помощью ORB, либо возлагается на программиста, как в RPC .

2. НАЧНАЧЕНИЕ И СОСТАВ СИСТЕМНЫХ СРЕД САПР

Системы автоматизированного проектирования относятся к числу наиболее сложных и наукоемких автоматизированных систем (АС). Наряду с выполнением собственно проектных процедур необходимо автоматизировать также управление проектированием, поскольку сам процесс проектирования становится все более сложным и зачастую приобретает распределенный характер. На крупных и средних предприятиях заметна тенденция к интеграции

САПР с системами управления предприятием и документооборота. Для управления столь сложными интегрированными системами в их составе имеется специальное ПО -- системная среда САПР или АС.

Первые системные среды САПР, называвшиеся мониторными подсистемами или Framework (FW), появились на рубеже 70...80-х г.г. В настоящее время основными функциями системных сред САПР являются управление данными, управление проектированием, интеграция ПО, реализация интерфейса с пользователем САПР, помощь в разработке и сопровождении ПО САПР.

Термин Framework применительно к системным средам САПР был введен в 1980 г. фирмой Cadence -- одним из пионеров в создании системных сред САПР. Кроме Cadence, тематикой Frameworks для САПР электронной промышленности занималось несколько ведущих в этой области фирм (Mentor Graphics, IBM, DEC, Sun Microsystems и др.), создавших международную ассоциацию CFI (CAD Framework Initiative). Широкую известность получили такие системные среды, как Falcon Framework фирмы Mentor Graphics, Design Framework-2 фирмы Cadence и JCF (Jessy-Common Framework) европейской программы ESPRIT.

Важно отметить, что проблема системных сред САПР, зародившаяся в процессе становления САПР электронной промышленности, получила развитие при реализации CALS-технологии в различных отраслях машиностроения.

В типичной структуре ПО системных сред современных САПР можно выделить следующие подсистемы.

Ядро отвечает за взаимодействие компонентов системной среды, доступ к ресурсам ОС и сети, возможность работы в гетерогенной среде, настройку на конкретную САПР (конфигурирование) с помощью специальных языков расширения.

Подсистема управления проектом, называемая также подсистемой сквозного параллельного проектирования CAPE (Concurrent Art-to-Product Environment), выполняет функции слежения за состоянием проекта, координации и синхронизации, параллельно выполняемых процедур разными исполнителями. Примерами подсистем управления проектами в машиностроении могут служить Design Manager в САПР Euclid, UG/Manager в Unigraphics. Иногда в отдельную подсистему выделяют управление методологией проектирования. При этом под методологией понимают совокупность методов и средств образования маршрутом проектирования -- последовательностей проектных операций и процедур, ведущих к цели проектирования.

Методы построения маршрутов проектирования (workflow) зависят от типа проектных задач. Различают простые задачи, выполняемые одной программой, линейные, в которых нет разветвлений в межпрограммных связях, и комплексные. Методы построения маршрутов могут быть основаны на предварительном описании задач или на предварительном описании правил конструирования задач. В описании задач фигурируют порты, с которыми соотнесены данные. Порты могут быть обязательными и необязательными, порождающими дополнительные данные или данные нового объекта. Описания задач даются в виде графов или на языках расширения.

Подсистема управления методологией проектирования представлена в виде базы знаний. В этой базе содержатся такие сведения о предметной области, как информационная модель (например, в виде диаграмм сущность-отношение), иерархическая структура проектируемых объектов (например, в виде И-ИЛИ-дерева), описания типовых проектных процедур, типовые фрагменты маршрутов

проектирования -- так называемые потоки процедур, соответствие между процедурами и имеющимися пакетами прикладных программ, ограничения на их применение и т.п. Часто такую БЗ дополняют обучающей подсистемой, используемой для подготовки специалистов к использованию САПР.

Современные системы управления проектными данными называют PDM ( Product Data Manager), иногда применительно к АСУ используют название EDM (Enterprise Data Manager). PDM предназначены для информационного обеспечения проектирования и выполняют следующие функции:

-- хранение проектных данных и доступ к ним, в том числе ведение распределенных архивов документов, их поиск, редактирование, маршрутизация и визуализация;

-- управление конфигурацией изделия, т.е. ведение версий проекта, управление внесением изменений;

-- создание спецификаций;

-- защита информации;

-- интеграция данных (поддержка типовых форматов, конвертирование данных).

Основной компонент PDM -- банк данных (БнД). Он состоит из системы управления базами данных и баз данных (БД). Межпрограммный интерфейс в значительной мере реализуется через информационный обмен с помощью банка данных. PDM отличает легкость доступа к иерархически организованным данным, обслуживание запросов, выдача ответов не только в текстовой, но и в графической форме, привязанной к конструкции изделия. Поскольку взаимодействие внутри группы проектировщиков в основном осуществляется через обмен данными, то в системе PDM часто совмещают функции управления данными и управления параллельным проектированием.

Подсистема интеграции ПО предназначена для организации взаимодействия программ в маршрутах проектирования. Она состоит из ядра, отвечающего за интерфейс на уровне подсистем, и оболочек процедур, согласующих конкретные программные модули, программы и/или программно-методические комплексы (ПМК) со средой проектирования.

Интеграция ПО базируется на идеях объектно-ориентированного программирования. Следует различать синтаксический и семантический аспекты интеграции. Синтаксическая интеграция реализуется с помощью унифицированных языков и форматов данных, технологий типа ODBC для доступа к общему банку данных или компонентно-ориентированных (CBD -- Component-Based Development) технологий. Пример унифицированного формата -- TES (Tool Encapsultion Specification), предложенного консорциумом CFI. Информация из TES используется для создания оболочек модулей при инкапсуляции. Семантическая интеграция подразумевает автоматическое распознавание разными системами смысла передаваемых между ними данных и достигается значительно труднее.

Подсистема пользовательского интерфейса включает в себя текстовый и графический редакторы и поддерживается системами многооконного интерфейса типа Х Window System или Open Look.

Подсистема CASE предназначена для адаптации САПР к нуждам конкретных пользователей, разработки и сопровождения прикладного ПО. Ее можно рассматривать как специализированную САПР, в которой объектом проектирования являются новые версии подсистем САПР, в частности, версии, адаптированные к требованиям конкретного заказчика. Другими словами, такие CASE-подсистемы позволяют пользователям формировать сравнительно с малыми затратами усилий варианты прикладных ПМК из имеющегося базового набора модулей под заданный узкий диапазон конкретных условий проектирования. В таких случаях СASE-подсистемы называют инструментальными средами.

CASE-система, как система проектирования ПО, содержит компоненты для разработки структурных схем алгоритмов и “экранов” для взаимодействия с пользователем в интерактивных процедурах, средства для инфологического проектирования БД, отладки программ, документирования, сохранения “истории” проектирования и т.п. Наряду с этим, в CASE-подсистему САПР входят и компоненты с специфическими для САПР функциями.

Так, в состав САПР Microstation (фирма Bentley Systems) включена инструментальная среда Microstation Basic и язык MDL (Microstation Development Language) c соответствующей программной поддержкой. Язык MDL -- С-подобный, с его помощью можно лаконично выразить обращения к проектным операциям и процедурам. В целом среда Microstation Basic близка по своим функциям к среде MS Visual Basic, в ней имеются генератор форм, редактор, конструктор диалога, отладчик.

САПР Спрут (российская фирма Sprut Technologies) вообще создана как инструментальная среда для разработки пользователем потоков задач конструкторского и технологического проектирования в машиностроении с последующим возможным оформлением потоков в виде пользовательских версий САПР. Сконструированный поток поддерживается компонентами системы, в число которых входят графические 2D и 3D подсистемы, СУБД, продукционная экспертная система, документатор, технологический процессор создания программ для станков с ЧПУ, постпроцессоры.

Управление данными в САПР. В большинстве автоматизированных информационных систем применяют СУБД, поддерживающие реляционные модели данных.

Среди общих требований к СУБД можно отметить: 1) обеспечение целостности данных (их полноты и достоверности); 2) защита данных от несанкционированного доступа и от искажений из-за сбоев аппаратуры; 3) удобство пользовательского интерфейса; 4) в большинстве случаев важна возможность распределенной обработки в сетях ЭВМ.

Первые два требования обеспечиваются ограничением прав доступа, запрещением одновременного использования одних и тех же обрабатываемых данных (при возможности их модификации), введением контрольных точек (checkpoints) для защиты от сбоев и т.п.

Банк данных в САПР является важной обслуживающей подсистемой, он выполняет функции информационного обеспечения и имеет ряд особенностей. В нем хранятся как редко изменяемые данные (архивы, справочные данные, типовые проектные решения), так и сведения о текущем состоянии различных версий выполняемых проектов. Как правило, БнД работает в многопользовательском режиме, с его помощью осуществляется информационный интерфейс (взаимодействие) различных подсистем САПР. Построение БнД САПР -- сложная задача, что обусловлено следующими особенностями САПР:

1. Разнообразие проектных данных, фигурирующих в процессах обмена как по своей семантике (многоаспектность), так и по формам представления. В частности, значительна доля графических данных.

2. Нередко обмены должны производиться с высокой частотой, что предъявляет жесткие требования к быстродействию средств обмена (полагают, что СУБД должна работать со скоростью обработки тысяч сущностей в секунду).

3. В САПР проблема целостности данных оказывается более трудной для решения, чем в большинстве других систем, поскольку проектирование является процессом взаимодействия многих проектировщиков, которые не только считывают данные, но и изменяют их, причем в значительной мере работают параллельно. Из этого факта вытекают следствия: во-первых, итерационный характер проектирования обычно приводит к наличию по каждой части проекта нескольких версий, любая из них может быть принята в дальнейшем в качестве основной, поэтому нужно хранить все версии с возможностью возврата к любой из них; во-вторых, нельзя допускать использования неутвержденных данных, поэтому проектировщики должны иметь свое рабочее пространство в памяти и работать в нем автономно, а моменты внесения изменений в общую БД должны быть согласованными и не порождать для других пользователей неопределенности данных.

4. Транзакции могут быть длительными и трудоемкими. Транзакцией называют последовательность операций по удовлетворению запроса. В САПР внесение изменений в некоторую часть проекта может вызвать довольно длинную и разветвленную сеть изменений в других его частях из-за существенной взаимозависимости компонентов проекта (многошаговость реализации запросов). В частности, транзакции могут включать в себя такие трудоемкие операции, как верификация проектного решения с помощью математического моделирования. В результате транзакции могут длиться даже несколько часов и более. Одна из трудностей заключается в отображении взаимозависимости (ассоциативности) данных. При хранении компонентов проекта во внешней памяти затраты времени на обработку запросов оказываются значительно выше, чем в большинстве других автоматизированных систем, с менее выраженными взаимозависимостями данных.

5. Иерархическая структура проектных данных и, следовательно, отражение наследования в целях сокращения объема базы данных.

В определенной мере названные особенности учитываются в СУБД третьего поколения, в которых стали применяться черты объектно-ориентированных (объектных) СУБД. В них наборы данных, характеризующих состояние предметной области (состояние проекта в случае САПР), помещаются в отдельные файлы. Интерпретация семантики данных осуществляется с помощью специальных процедур (методов), сопровождающих наборы. Наследование свойств объектов предметной области выражается с помощью введения категорий класса, надкласса, подкласса. Информационные модели приложений для таких СУБД разрабатываются на основе методик типа IDEF1X.

Объектные БД выгодны, во-первых, тем, что данные по конкретным объектам проектирования не разбросаны по множеству таблиц, как это имеет место в реляционных БД, а сосредоточены в определенных местах. Во-вторых, для каждого объекта могут быть назначены свои типы данных. В результате проще решаются задачи управления и удовлетворения запросов.

Наряду с чисто объектными СУБД (pure ODBMS), применяют СУБД объектно-реляционные. В последних происходит объединение свойств реляционных и объектно-ориентированных СУБД: объектно-ориентированная СУБД снабжается непроцедурным языком запросов или в реляционную СУБД вводятся наследование свойств и классы. Непроцедурность входного языка обеспечивается использованием языка SQL. Его операторы непосредственно включаются в программы на языке С. Возможно написание дополнительных программ, интерпретирующих SQL-запросы.

Отличительные особенности СУБД третьего поколения: расширенный набор возможных типов данных (это абстрактные типы, массивы, множества, записи, композиции разных типов, отображение величин с значениями разных типов), открытость (доступность из разных языков программирования, возможность обращения к прикладным системам из СУБД), непроцедурность языка (общепринятым становится язык запросов SQL), управление асинхронными параллельными процессами, состояние которых отражает БД. Последнее свойство позволяет говорить о тесной взаимосвязи СУБД и подсистемы управления проектами DesPM.

Названные особенности управления данными в САПР нашли свое выражение в современных подсистемах управления проектными данными PDM.

В PDM разнообразие типов проектных данных поддерживается их классификацией и соответствующим выделением групп с характерными множествами атрибутов. Такими группами данных являются описания изделий с различных точек зрения (аспекты). Для большинства САПР машиностроения характерными аспектами являются свойства компонентов и сборок (эти сведения называют Bill of materials -- BOM), модели и их документальное выражение (основными примерами могут служить чертежи, 3D модели визуализации, сеточные представления для конечно-элементого анализа, текстовые описания), структура изделий, отражающая взаимосвязи между компонентами и сборками и их описаниями в разных группах.

Вследствие большого объема проектных данных и наличия ряда версий проектов PDM должна обладать развитой системой поиска нужных данных по различным критериям.

Рассмотренные особенности банков данных в САПР позволяют квалифицировать их как системы Data Warehouse (DW), т.е. хранилища данных. Для хранилищ данных характерен ряд особенностей, совпадающих с названными выше особенностями банков данных САПР: 1) длительное хранение информации, отражающей историю разработок; 2) частота операций чтения данных выше частоты операций обновления данных; 3) использование единых форматов для однотипных данных, полученных из различных источников (например, от разных программно-методических комплексов). Эти особенности позволяют управлять конфигурацией проектов, что, в частности, означает хранение в САПР всех версий проекта и, возможно, данных по проектам предыдущих разработок, удовлетворение сложных запросов, для ответа на которые требуется извлечение и обработка данных из различных частей хранилища (так называемая многомерная обработка). Модели данных в DW отличаются от реляционных моделей (RM): в RM использованием нормальных форм стремятся максимально уменьшить избыточность данных, что приводит к увеличению числа таблиц, но уменьшенных размеров, однако многомерный поиск, требующийся в DW, в множестве таблиц затруднен. Поэтому в DW чаще используется модель данных “звезда”, в которой имеется общая таблица фактов (Fact Table) и каждому факту ставится в соответствие несколько таблиц с необходимыми атрибутами. Целостность данных в DW обеспечивается проверкой и трансформацией данных (data cleaning), вводимых из внешних источников, наличием дисциплины обновления данных, централизованным хранением основной базы, при этом достаточное быстродействие поддерживается передачей копий определенных частей базы в локальные базы, называемые киосками данных (Data Mart) и ориентированные на отдельные группы пользователей.

Программные средства управления проектированием САПР. В системных средах САПР управления проектированием возлагается на подсистему CAPE, в некоторых системах обозначаемую как DesPM (Design Process Manager). DesPM должна включать в себя компоненты: комплексы базовых знаний по тем предметным областям, которые определяются объектом проектирования, а также знаний о языках представления характеристик и ограничений; средства для генерации плана (маршрута проектирования), определения наличия средств и ресурсов для реализации плана; средства выполнения плана; средства оценки результатов. DesPM позволяет выбирать объекты проектирования, производить декомпозицию моделей, для каждого компонента выбирать проектные процедуры из имеющегося набора.

По каждому объекту DesPM выдает сообщения, примерами которых могут быть: “объект проектируется другим разработчиком”, “проектирование преждевременно, не выполнены предшествующие процедуры”, “не подготовлены исходные данные”. Одной из важнейших функций DesPM является помощь в реализации параллельного проектирования. Желательно в DesPM предусмотреть возможности создания “суперпроцедур” -- командных файлов для выполнения часто повторяющихся фрагментов маршрутов проектирования.

Расширение возможностей управления проектированием и адаптация системной среды к конкретным САПР связано с применением языков расширения. Язык расширения -- это язык программирования, позволяющий адаптировать и настраивать системную среду САПР на выполнение новых проектов. Язык расширения должен обеспечивать доступ к различным компонентам системной среды, объединять возможности базового языка программирования и командного языка, включать средства процедурного программирования.

Управление процессом проектирования включает в себя большое число действий и условий, поддерживающих параллельную работу многих пользователей над общим проектом. Управление выполняется на основе моделей вычислительных процессов. Используются спецификации моделей, принятые в CASE-системах, например, диаграммы потоков данных, ориентированные графы. Сначала модели составляют для задачного уровня, а затем система осуществляет их покрытие. Применяют также описания на языках расширения или 4GL. В системной среде Ulyses спецификации даны в виде набора модулей с указанием условий их активизации, что близко к представлению моделей в сис-

темах, управляемых знаниями. Так, каждый проектирующий программный модуль может быть активизирован только в том случае, если входные данные готовы. Для этого специальная программа управления модулями системной среды отслеживает соблюдение отношений следования между проектными операциями и процедурами, заданными в маршруте проектирования. На эту же программу возлагаются функции регулирования прав доступа к модулям, сбор статистики (протоколирование) по обращениям к модулям и некоторые другие.

Необходимо обеспечение синхронизации изменения данных, разделяемых многими пользователями. Для этого, во-первых, пользователи подразделяются на классы (администрация системы, руководство проектом и частями проекта, группы исполнителей-проектировщиков) и для каждого класса вводят определенные ограничения, связанные с доступом к разделяемым данным; во-вторых, обеспечивают средства ведения многих версий проекта; в-третьих, для выполнения работ в отдельных ветвях параллельного процесса пользователям выделяют свои рабочие области памяти. Данным могут присваиваться различные значения статуса, например, “правильно”, “необходимо перевычисление”, “утверждено в качестве окончательного решения” и т.п. Собственно синхронизация выполняется с помощью механизмов типа рандеву или семафоров, рассматриваемых в пособиях по параллельным вычислениям.

В общем случае полная формализация управления проектированием не может быть достигнута, поэтому полезную роль играют системы поддержки решений, принимаемых людьми, DSS (Decision Support Systems). В качестве таких систем часто используют хранилища данных и OLAP-средства (On-Line Analytical Processing).

Использование хранилищ данных имеет ряд преимуществ в управлении большими объемами данных: имеется единое ядро, что исключает чрезмерно разветвленные и длительные транзакции, легче синхронизировать внесение изменений, поддерживать единство форматов данных, хранить предыдущие версии и т.п.

OLAP-средства должны обеспечивать оперативный доступ к данным, на основе которого выявляются зависимости между параметрами (измерениями в многомерной модели приложения). В OLAP-системах на реляционных СУБД аналитическая обработка, или, другими словами, многомерный динамический анализ данных требует просмотра большого числа записей из разных таблиц. По-

этому производительность оказывается невысокой. В специализированных OLAP-системах, обеспечивающих более быстрый многомерный анализ, но с более существенными ограничениями на объем БД, данные хранятся в виде гиперкубов или поликубов -- многомерных таблиц с постоянным или переменным числом ячеек соответственно.

Примеры подсистем управления данным и проектированием. В ряде системных сред САПР (прежде всего САПР в машиностроении) в подсистемах PDM объединяются функции управления данными и проектированием. Пример такой PDM -- подсистема Design Manager в САПР Euclid Quantum. Функциями этой PDM являются управление потоками проектных данных, версиями проекта, взаимодействием разработчиков, защита информации, конфигурирование и адаптация версий системы для конкретных пользователей.

В системной среде NELSIS CAD Framework имеются части: 1) DMS (Design Management Services) для поддержки иерархии данных, управления версиями и потоками задач; 2) DMI (Design Management Interface) с функциями открытия и закрытия баз данных, вызова и пересылки данных, доступа к DMS; 3) FUS (Framework User Services), включающая ряд браузеров для визуализации информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для успешного функционирования и конкурентоспособности промышленных предприятий в современных условиях абсолютно необходимы передовые информационные технологий. Они позволяют не только решать широкий круг задач в сфере автоматизации финансово-хозяйственной и управленческой деятельности, но и осуществлять комплексную автоматизацию основных технологических и производственных бизнес-процессов.

Потребности современного производства диктуют необходимость глобального использования информационных компьютерных технологий на всех этапах жизненного цикла изделия: от предпроектных исследований до утилизации изделия. Основу информационных технологий в проектировании и производстве сложных объектов и изделий составляют сегодня полномасштабные полнофункциональные промышленные САПР (CAD/CAM/CAE - системы). Активное использование во всем мире “легких” и “средних“ САПР на персональных компьютерах для подготовки чертежной документации и управляющих программ для станков с ЧПУ и сближение возможностей персональных компьютеров и “рабочих станций” в автоматизации проектирования подготовило две тенденции в разработке и использовании САПР, которые наблюдаются в последнее время:

применение полномасштабных САПР в различных отраслях промышленности для проектирования и производства изделий различной сложности;

интеграция САПР с другими информационными технологиями.

Эти тенденции позволяют говорить, что уже в самом ближайшем будущем эффективность производства будет во многом определяться эффективностью использования на предприятиях промышленных САПР.

Но на сегодняшний день уже во многих предприятиях используется система автоматизированного проектирования и инженерам, конструкторам, проектировщикам, архитекторам, работающим в САПР-программах, необходимо постоянно повышать свою квалификацию; программы развиваются, ежегодно появляются новые версии - соответственно специалистам необходимо уметь работать в современном ПО. Иначе САПР используется не на полную мощь.

ЛИТЕРАТУРА

1. Системы автоматизированного проектирования: Учеб. пособие для вузов: В 9 кн. под ред. И.П. Норенкова. -- М.: Высш. шк., 1986.

2. Б.Хокс. Автоматизированное проектирование и производство. М.:Мир, 1991 г.

3. А. В. Петров «Проблемы и принципы создание САПР». Москва. 1990 г.

4. Д. М. Жук «Технические средства и операционные системы САПР». Москва. 1986 г.

5. В. Г. Федорчук «Информационное и прикладное программное обеспечение САПР».

6. В. А. Вайсбург «Автоматизация процессов под готовки авиационного производства на базе ЭВМ и оборудования с ЧПУ». Москва. 1985 г.

7. Разработка САПР.В 10-ти кн. Под редакцией А.В.Петрова. М.:Высш. шк.,1990.

8. В.П.Корячко, В.М. Курейчик, И.П. Норенков. Теоретические основы САПР: учебник для вузов. М. Энергоатомиздат,1987.

9. Материалы 4-го всероссийского семинара: “Современные системы автоматизации конструкторского и технологического проектирования”. М.:Изд. МАИ,1995.

10. Острейковский В.А. Теория систем. -- М.: Высш. шк., 1997.

11. Журнал «САПР и ГРАФИКА». Номер № 11 ноябрь 2007.

12. ГОСТ 23501.101--87. «Системы автоматизированного проектирования» Основные положения.

13. ГОСТ 23501.108-85. «Системы автоматизированного проектирования» Классификация и обозначение.

14. ГОСТ 24.104-85. Единая система стандартов автоматизированных систем управления. Автоматизированные системы управления. Общие требования.

Размещено на Allbest.ru