книги / Проектирование электронно-лучевых приборов

ка ЭЛП (целиком включается в полную информацию); рабочая информация содержит данные о параметрах конструк­

ции и режима ФЭ, а также промежуточные результаты вычисле­ ний, которые могут быть использованы при необходимости повтор­ ного расчета моделируемого ФЭ (целиком включается в полную информацию);

поисковый образ содержит числовые значения признаков, по которым может быть организован поиск записи в ТК (целиком включается в краткую информацию).

Все виды информации, относящиеся к одному объекту, иден­ тифицируются общим инвентарным номером, присваиваемым при занесении объекта в архив. Это позволяет организовать отдельное хранение и обработку информации различных видов. В качестве примера можно привести один из объектов тематического класса

В поисковом образе реквизит ПР задает номера признаков, которые используются для задания приоритета при поиске. В при­ веденном примере в поисковом образе, в отличие от краткой ин­ формации, все размеры приводятся в относительных единицах, причем за единицу измерения принят радиус отверстия модулято­ ра, а значения рабочих параметров 20Б, КОБ, Р1 и 1Л взяты при уровне модуляции 60%.

Функциональная часть ИПС, работающая с архивом резуль­ татов моделирования ФЭ, осуществляет пополнение, поиск и вы­ дачу информации в каждом из тематических классов. Для поиска используется наиболее компактный массив — поисковые образы, каждый из которых представляет собой упорядоченную таблицу значений некоторых признаков. Порядок следования признаков в этой таблице и их смысловое содержание определяются при гене­ рации ТК и в дальнейшем не меняются.

Поиск осуществляется в соответствии с поисковым предписа­ нием, которое указывает, какие признаки нужно принимать во внимание, их относительную важность и условия, которые должны быть выполнены. Например, найти варианты конструкции элек­ тронной пушки, обладающие следующими свойствами (по порядку их важности): размер объекта не более 0,05 мм; ток луча не менее

При поиске из архива сначала выбираются все объекты, кото­ рые удовлетворяют условию по первому признаку поискового пред­ писания, затем из отобранных выделяются те, которые удовлетво­ ряют условию по второму признаку, и так далее, пока не будут исчерпаны все условия поискового предписания или пока число отобранных объектов не станет равным нулю. В последнем случае предусмотрен режим автоматического «смягчения» условий поис­ ка: происходит возврат к предыдущему условию, отбираются все имевшиеся объекты и выдается сообщение, что дальнейшая про­ верка условий предписания приводит к отсутствию приемлемых объектов.

В поисковом предписании может быть также задана функция релевантности, т. е. меры соответствия проверяемого объекта ис­ комому. Для ее определения по каждому из признаков вычисляет­ ся разность значений между проверяемым объектом и заданным.

По значениям разностей вычисляется функция релевантности, ко­

функции. Вычисление функции релевантности позволяет опреде­ лить множество объектов, соответствие которых определенному эталону не хуже некоторой заданной величины, и упорядочить в этом множестве объекты по степени их близости к эталону, т. е. получить примерную оценку отобранных вариантов, которую мож­ но использовать для постановки и решения задач оптимизации численными методами.

Результатом поиска является перечень инвентарных номеров отобранных объектов с оценками их релевантности (если был за­ дан этот режим поиска). Согласно такому перечню могут быть выданы поисковые образы соответствующих объектов или крат­ кая информация о них. Возможна также пересылка рабочей ин­ формации в блок памяти соответствующего ППП для проведения повторных расчетов.

Система представления знаний. Представление знаний стало в последние годы одной из наиболее бурно развивающихся ветвей теории искусственного интеллекта, поэтому описание системы пред­ ставления знаний (СПЗ) полезно начать с обзора основных поня­ тий этой области.

Традиционная схема решения задач на ЭВМ выглядит так: имеются программа, реализующая некоторый алгоритм, и данные, которые обрабатываются этой программой и играют пассивную роль. Смысловое содержание данных, отношения между ними и т. п. в их описании отсутствуют и раскрываются лишь при их обработке программой. Такой подход не позволяет создавать эф­

фективные алгоритмы обработки информации, имеющей сложную структуру, в которой данные связаны отношениями.

Главным отличием знаний и их использования при построении вычислительных систем является их активная роль: знания могут интерпретироваться, они имеют классифицирующие связи (типа «часть — целое», «род — вид», «элемент — класс» и т. п.) и ситуа­ тивные отношения (типа «находиться в позиции ...», «находиться в рабочем состоянии» и т. п.). Следует отметить отсутствие четкой границы между данными и знаниями, так как в реляционных ба­ зах данных последние обладают структурой и связаны отношения­ ми. Тем не менее существенным при создании прикладных СПЗ является стремление приблизить структуру информации, обраба­ тываемой ЭВМ, и способы ее обработки к структуре и способам обработки информации человеком при решении аналогичных за­ дач. Это позволяет более просто и эффективно включать в систему знания и профессиональный опыт пользователя, что особенно важ­ но для САПР.

Основой большинства СПЗ служат сетевые модели, в которых вершинам сети соответствуют некоторые понятия (объекты, собы­ тия, процессы), а дугам — отношения между ними. Одной из раз­ новидностей сетевых моделей являются фреймовые модели, которые могут использоваться для представления знаний как описа­ тельного (декларативного), так и алгоритмического (процедурно­ го) характера. Ввиду отсутствия строгого и однозначного опреде­ ления фрейма можно обратиться к наиболее общему описанию смысла этого термина, предложенному его автором [95]: «Фрейм является структурой данных для представления стандартной си­ туации Фрейм можно представлять себе в виде сети, состоя­ щей из узлов и связей между ними. Верхние уровни фрейма четко определены, поскольку образованы такими понятиями, которые всегда справедливы по отношению к предполагаемой ситуации. На более низких уровнях имеется много особых вершин — термина­ лов, или ячеек, которые должны быть заполнены характерными примерами или данными. Каждым терминалом могут устанавли­ ваться условия, которым должны удовлетворять его задания».

Такое описание, введенное для некоторого класса объектов (без заполнения терминалов), принято называть фрейм-прототипом, или просто прототипом. При определении конкретного объекта это­ го класса терминалы заполняются конкретными значениями. Этот процесс называется активацией фрейма, а его результатом явля­ ется получение фрейма-экземпляра, или просто экземпляра, опи­ сывающего конкретный объект данного класса.

Для САПР ЭЛП примером фрейма-прототипа служит ИМОП, определенная для некоторой подгруппы приборов. Экземплярами в этом случае являются информационные модели конкретных из­ делий этой подгруппы. В качестве примера можно рассмотреть

знания, описывающие процедуры и алгоритмы функционирова­

ния и развития САПР.

Способы представления этих знаний с различной степенью подробности описаны в соответствующих разделах.

Операционная система автоматизированного проектирования.

Назначением ОСАП является интеграция инвариантных и объект­ ных подсистем, включая все компоненты системного и приклад­ ного программного обеспечения, и их эксплуатация на комплексе технических средств САПР. Основными функциями ОСАП можно считать:

инициализацию и поддержку всех видов взаимодействия поль­ зователей САПР ЭЛП с ее инвариантными подсистемами и обслу­ живаемыми ими объектными подсистемами на всех этапах проек­ тирования;

обеспечение всех видов взаимодействия с вычислительной тех­ никой прикладных и системных программистов в процессе отлад­ ки, эксплуатации, анализа и модификации программ;

диспетчеризацию и координацию совместной работы инвариант­ ных и объектных подсистем, включая распределение заданий, уста­ новление их приоритетности и выделение ресурсов комплекса тех­ нических средств;

сбор и анализ статистической информации о работе всех под­ систем и компонентов САПР ЭЛП, а также данных о работе раз­ личных пользователей и подразделений.

В свою очередь, ОСАП опирается на СПЗ и систему поддерж­ ки диалога и является наиболее машинно-зависимой подсистемой САПР, обеспечивая непосредственное взаимодействие со стандарт­ ными операционными системами серийных ЭВМ и «закрывая их собой» для пользователей.

5.3. ВИДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Методическое обеспечение. Необходимость рассматривать раз­ личные виды обеспечения связана с многоаспектностыо САПР и ее подсистем: все они могут рассматриваться как системы обра­ ботки данных, организационные системы и т. д. Каждый из видов обеспечения отражает один из качественно различных аспектов рассмотрения САПР и ее подсистем; при этом наиболее важным можно считать методическое обеспечение, которое задает назначе­ ние и функции САПР, определяет технологию автоматизированного проектирования и служит основой при создании остальных видов обеспечения. Зачастую в состав методического обеспечения вклю­ чаются математическое и лингвистическое обеспечения [89]. Про­ граммное и информационное обеспечения можно рассматривать как знания об объекте и процессе проектирования в машинном представлении, а организационное обеспечение — как те же зна­ ния, но в представлении для пользователей и персонала САПР.

Методическое обеспечение САПР ЭЛП включает методики классификации и систематизации ЭЛП как объектов проектирова­ ния, формализации процессов проектрования, создания и развития подсистем и компонентов САПР, а также методы и технологию автоматизированного проектирования ЭЛП (в виде схем и пас­ портов объектов проектирования, маршрутов, сценариев и схем процессов проектирования, инструкций по пользованию подсисте­ мами и т. п.).

Математическое обеспечение САПР ЭЛП состоит из методов и алгоритмов общего и специального назначения. Общее математи­ ческое обеспечение включает методы и алгоритмы решения мате­ матических задач, инвариантных к специфике объектов проекти­ рования (вычисление определенных интегралов и специальных функций, численная интерполяция и аппроксимация, решение си­ стем алгебраических и дифференциальных уравнений и др.). Опи­ сание этих методов и алгоритмов содержится в литературе по чис­ ленным методам, а также (в более конкретном виде) в сопровож­ дающей документации к библиотекам стандартных программ и

ППП. Специальное математическое обеспечение включает методы и алгоритмы решения задач моделирования, оптимизации и син­ теза узлов и ФЭ ЭЛП, описанные в гл. 3.

Программное обеспечение (ПО) делится на прикладное, общее системное и проблемно-ориентированное системное ПО. Осно­ вой прикладного ПО являются ППП, реализующие алгоритмы мо­ делирования, оптимизации и синтеза ФЭ и работающие в рамках инструментальной системы, обеспечивающей их генерацию, экс­ плуатацию и модификацию. Общее системное ПО базируется на стандартных операционных системах (ОС) базовых ЭВМ САПР ЭЛП (см. рис. 5.2): ОС «Дубна» для ЭВМ БЭСМ-6, ОС ЕС для ОС ЭВМ и ОС «Демос» для ИГС 15УТ-4-017. Стандартные ОС допол­ няются системными средствами, которые обеспечивают связь ЭВМ между собой, и нестандартными периферийными устройствами.

Проблемно-ориентированное системное ПО реализует на ЭВМ все сервисные функции, необходимые для работы инвариантных подси­ стем (преобразование и размещение данных в оперативной и внеш­ ней памяти ЭВМ, доступ к данным, форматный и бесформатный обмен, резервирование и освобождение областей памяти, автодо­ кументирование, сбор статистической информации о работе подси­ стемы и т. п.).

Лингвистическое обеспечение включает языки проектирования ЭЛП и их элементов, языки общения пользователей с САПР и языки реализации компонентов ПО. Языки проектирования явля­ ются подмножествами естественного языка, лексика которых опре­ деляется терминологическими стандартами и уточняется для каж­ дой проектной организации в зависимости от номенклатуры узлов, используемых при проектировании ЭЛП. Общение пользователей с САПР осуществляется с помощью языков документального типа

(анкеты ППП, формы представления результатов работы ППП,

языки представления знаний об объектах и процессах проектиро­ вания ЭЛП, включая формы описания предметных областей, дан­ ных в архивах ИПС, сценарии и схемы проектных процедур, фор­ мы конструкторской документации и др.), диалогового и сервисно­ го типа (языки кодирования анкет, генерации и модификации ППП

[91], внутреннего представления знаний и т. п.). Для реализации компонентов прикладного и проблемно-ориентированного систем­ ного ПО используется в основном усеченная версия языка ФОРТРАН-1У [91], совместимая с диалектами ФОРТРАН-ДУБНА [96] и ФОРТРАН ЕС ЭВМ [97] и обеспечивающая транспорта­ бельность ППП и большей части ПО инвариантных подсистем. Общее системное ПО реализуется на ассемблерах ЭВМ, а в перс­ пективе возможно использование одного из языков, претендующих на универсальность и машинную независимость (например, АЭА или С).

Информационное обеспечение включает сведения, которые мож­ но отнести к условно-постоянной или переменной информации. Условно-постоянная информация накапливается в течение дли­ тельного периода и не меняется за время проектирования кон­ кретного изделия (информация о современном научно-техническом уровне, руководящие и справочные документы, методики и прие­ мы проектирования, архивы данных ИПС и т. п.). Переменная ин­ формация включает ТЗ и промежуточные результаты проектиро­ вания, представленные в форматах ИМОП.

Техническое обеспечение САПР ЭЛП реализуется комплексом технических средств (КТС), который построен по трехуровневой схеме (рис. 5.6), включающей центральный вычислитель (ЦВ), ин­

нии»), когда обмен идет непосредственно по аппаратным каналам, или информационная связь (режим оН-Ппе, или «вне линии»), когда данные записываются на промежуточный носитель (магнитные ленты и диски или перфоленту), откуда их в любое время может считать другое устройство. Для связи с технологическим уровнем используется второй режим, поскольку время работы программно­ управляемого оборудования может достигать нескольких часов, а его готовность определяется многими факторами, лежащими вне сферы САПР.

Наиболее трудоемкие (свыше 109 арифметических операций) задачи решаются на ЦВ в пакетном режиме, поскольку время их решения на БЭСМ-6 может достигать нескольких часов (моделиро­ вание сложных ФЭ ЭОС, прочностные расчеты по методу конеч­ ных элементов и т. п.). Однако имеется возможность анализиро­ вать результаты их решения в режиме диалога. Для этого нужно

Рис. 5.6. Структура технического обеспечения САПР ЭЛП:

задать исходные данные для расчета сразу нескольких вариантов, которые просчитываются на протяжении одной-двух смен работы ЦВ как «фоновые» задачи, после чего их результаты можно про­ смотреть и сравнить между собой.

их переноса на ИГС при условии наращивания мощности ее про­ цессора. К ним относится большинство задач моделирования ФЭ, а также наиболее сложные преобразования графических объектов

идиалоговые оптимизационные процедуры.

Котносительно простым (менее 107 арифметических операций) можно отнести задачи алгоритмической отладки прикладных про­ грамм, структурного и технологического проектирования, поиска в

ИПС, графические построения, ввод и контроль данных и т. п. Для их решения можно использовать как ЦВ (в режиме разделе­ ния времени), так и ИГС, при этом необходимо отметить, что ре­ шение задач этой категории занимает большую часть времени лю­ бого пользователя САПР ЭЛП, поэтому перспективой ближайше-

го будущего следует считать их перенос на персональные компью­ теры, имеющие информационную или прямую связь с ИГС или ЦВ.

На технологическом уровне состав КТС определяется потребностями конкрет­ ного разрабатывающего .предприятия и уровнем автоматизации проектирования и технологической подготовки. Так, в рамках сквозного маршрута проектирова­ ния баллонов с диагональю экрана до 35 см целесообразно использовать фре­ зерные станки 6520ФЗ с системой ЧПУ типа Н-ЗЗМ, а для более крупных типо­ размеров — станок 6Б444ФЗ с системой ЧПУ типа Н-55-2. Для изготовления мерительного инструмента могут использоваться названные станки, а также пло­ скошлифовальный станок МА396ФЗ с системой ЧПУ Н-55-1.

Для изготовления фотошаблонов может использоваться координатограф КПА-1200, фотонаборные установки типа ЭМ-509 и т. п. Изготовление конструк­ торской документации может осуществляться на графопостроителях типа ЕС-7054 («Дигиграф-1003»).

Организационное обеспечение (0 0 ). В большинстве случаев внедрение САПР связано с изменением традиционной методики проектирования и функций подразделений проектной организации. Поэтому процесс создания 0 0 целесообразно рассмотреть в раз­ витии.

На первом этапе процесс проектирования представляется сово­ купностью эвристических процедур и описаний параметров, кото­ рые характеризуют объект проектирования до и после выполнения каждой из них. Таким образом регламентируется «что делать», а «как делать» — решает специалист, ответственный за выполнение процедуры. На следующем этапе алгоритмизуется деятельность специалистов и строятся эвристические, диалоговые или вычисли­ тельные процедуры, взаимодействие между которыми осуществля­ ется через упомянутые наборы параметров.

Эти наборы параметров в виде бланков формализованных за­ даний (БФЗ) или анкет ППП вместе с инструкциями по их запол­ нению составляют основу 0 0 . В качестве примера можно приве­ сти БФЗ на геометрическое проектирование баллона, которое ре­ гламентируется стандартом предприятия, где указано, какие дан­ ные для БФЗ представляют разработчики баллона и инструмента, а также технолог механообработки. Тем самым определяется их ответственность за достоверность входных данных, что особенно актуально для сквозных маршрутов, где объем документов, фи­ ксирующих промежуточные результаты, минимален.

Особое значение имеют документы, определяющие содержание и форму представления окончательных результатов автоматизиро­ ванного проектирования. Они должны учитывать требования стандартов ЕСКД, предъявляемые к конструкторской документа­ ции, выполняемой с помощью ЭВМ на бумаге и машинных носите­ лях. Опыт показывает, что в этой области многое зависит от рационального сочетания традиционных методов изготовления кон­ структорской документации с машинными. Например, при авто­ матизированном проектировании штампов целесообразно исполь-

зовать стандартные типографские формы («слепыши»), которые дополняются таблицами размеров и чертежами формообразующих деталей. Вообще при автоматизированном изготовлении чертежей простановку числовых значений размеров целесообразно исклю­ чить, сведя их в отдельные таблицы и указав для размеров бук­ венные обозначения. В некоторых случаях можно сочетать авто­ матизированное построение сложных изображений с ручной про­ становкой размеров, взятых из машинной выдачи.

Одним из важнейших аспектов 0 0 является наличие докумен­ тов, определяющих структуру, состав и функции службы САПР и ее сотрудников. Для разрабатывающего предприятия численность сотрудников службы САПР рекомендуется на уровне 5—10% от общей численности предприятия. При этом служба САПР, как правило, имеет статус отдела, а ее подразделения — секторов.

По мере развития и внедрения сквозных маршрутов проектирования в соста­ ве отдела САПР может быть выделен сектор технологической подготовки про­ изводства. Основной его задачей является обеспечение непрерывности процесса проектирования и подготовки производства с использованием диалоговых средств САПР. В этом процессе участвуют специалисты разрабатывающих отделов, технических служб серийного завода, а также технологи основного и инстру­ ментального производства.

Организация работ по созданию, развитию и внедрению самой САПР регламентируется соответствующими стандартами, опреде­ ляющими стадии и содержание этих работ. Сюда же можно отне­ сти и стандарты ЕСПД, определяющие форму представления ре­ зультатов разработки всех видов программного обеспечения, кото­ рое является конечным продуктом работ по созданию любой из подсистем САПР.

5.4. ВОПРОСЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ САПР ЭЛП

Учет человеческого фактора. Разработка автоматизированных систем без учета человеческого фактора, т. е. игнорирование эрго­ номических требований, приводит к существенному снижению эф­ фективности системы в целом даже при надежной работе ее тех­ нических средств (см., например, [98]). Поскольку САПР можно в полной мере отнести к человеко-машинным системам (ЧМС),при их разработке необходимо решать задачи эргономического проек­ тирования, к которым принято относить разработку алгоритмов деятельности человека в ЧМС, распределение функций между че­ ловеком и техникой, определение числа операторов, требований к технике и др. [99]. Главными для САПР являются задачи алго­ ритмизации процесса автоматизированного проектирования и рас­ пределения функций между пользователем и системой, которые должны решаться в основном при создании методического и про­

граммного обеспечения.

В гл. 2 изложена методика алгоритмизации процессов проек­