Методологические основы проектирования САПР ТП

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ САПР ТП

Ю.А. Гатчин, Е.Г. Чернокнижная

Статья посвящена проблеме общесистемного подхода к проектированию САПР ТП. Определен общий круг проблем, рассмотрены принципы создания отдельных компонентов системы, важнейшим из которых является база данных, а также инструменты проектирования.

Современные САПР ТП - это сложные системы, состоящие из многочисленных взаимосвязанных звеньев с последовательными, параллельными и обратными связями. Поведение отдельных звеньев таких систем, их воздействие друг на друга и функционирование системы в целом могут иметь детерминированный, случайный и смешанный, детерминированно-стохастический характер. Проектирование и исследование таких систем требует системного подхода к решению различных задач, возникающих в процессе анализа и синтеза. Наиболее эффективным, по нашему мнению, является использование при проектировании САПР ТП нисходящего стиля блочно-иерархического проектирования, включающего ряд уровней и этапов [1].

Верхний уровень - концептуальное проектирование - выполняется на этапе пред-проектных исследований, разработки технического предложения и эскизного проекта. Здесь разрабатываются детальные концептуальные модели прикладной технологической области, описывающие информационные потребности производства, особенности функционирования и т.д.

Основным результатом анализа САПР ТП является характеристика определенной группы ее свойств, основанная на описании системы в некотором диапазоне пространственно-временных границ (семантическая модель). Из этого следует, что целевая направленность проводимого анализа однозначно определяется оцениваемой совокупностью свойств конкретной САПР ТП. Однако системный подход предполагает ее исследование с важнейших сторон и на различных уровнях, что обусловливает необходимость проведения такого анализа, который раскрывал бы наиболее существенные ее свойства. С этой точки зрения практически каждая система может характеризоваться множеством функций, выполняемых ею, подсистемами и элементами системы, которые реализуют эти функции, а также информационными процессами в ней. Следовательно, представляется возможным выделить функциональный и информационный аспекты системы.

Каждый из указанных аспектов рассматривает самостоятельную область исследований, характеризующуюся, прежде всего, видом описания системы. Функциональное описание, в частности, состоит в определении функций САПР ТП и их взаимосвязи, информационное - в характеристике зависимости ее функциональных свойств от информации, циркулирующей внутри и вне системы.

Результатом являются модели двух типов - информационные, отражающие структуру и общие закономерности прикладной области, и функциональные, описывающие особенности решаемой задачи. В качестве информационного моделирования используется аппарат моделей «сущность-связь», или ER-моделей (Entity Relationship Model) [2]. Этот формализм позволяет представить информационные потребности в виде, наглядном и удобном для восприятия, что делает их хорошим средством коммуникации между проектировщиками и пользователями. Соответственно вводится и набор функций САПР ТП.

12

На этапе анализа применяются два метода с использованием ЭВМ. Первый метод состоит в том, что разработчик использует анализирующие возможности компьютера как средства моделирования. Второй метод подразумевает использование анализирующих возможностей ЭВМ для выбора оптимального решения. При этом компьютер сам изменяет входные параметры. Роль разработчика сводится в этом случае к определению параметров, которые следует изменять или оставить инвариантными.

По завершении этапа анализа начинается этап синтеза, т.е. создания методики решения задачи, алгоритма и программы. Этап синтеза характеризуется использованием не только информации о проблемной среде, отобранной на этапе анализа, но и использованием уже накопленных процедурных знаний (математических методов, пакетов алгоритмов и программ). Особенно успешным использование процедурных знаний будет при декомпозиции задачи на подзадачи, решение которых уже известно.

На основании концептуальных моделей вырабатываются технические спецификации будущей системы - определяется форма представления данных, структура и состав базы данных, специфицируется набор программных модулей и их реализация, проектируется оболочка САПР ТП.

Содержанием последующих этапов нисходящего проектирования является определение перечней приобретаемого оборудования и готовых программных продуктов, построение системной среды, детальное инфологическое проектирование баз данных и их первоначальное наполнение, разработка собственного оригинального программного обеспечения, которая, в свою очередь, делится на ряд этапов нисходящего проектирования.

Рис. Основные этапы проектирования БД

При проектировании базы данных решаются две основных проблемы [3].

• Каким образом отобразить объекты предметной области в абстрактные объекты модели данных, чтобы это отображение не противоречило семантике предметной области и было по возможности лучшим (эффективным, удобным и т.д.)? Эту проблему называют проблемой логического проектирования баз данных.

• Как обеспечить эффективность выполнения запросов к базе данных, т.е. каким образом, имея в виду особенности конкретной СУБД, расположить данные во внешней памяти, создания каких дополнительных структур (например индексов) потребовать? Эту проблему называют проблемой физического проектирования баз данных.

На этапе логического проектирования базы данных САПР ТП необходимо:

• определить основные функции приложения, работающего с базой данных;

• определить, информация о каких объектах (сущностях) должна храниться в базе данных, и идентифицировать их;

• определить, какие атрибуты данных для каждой сущности должны храниться в базе данных, и идентифицировать их;

• определить, какие отношения (связи) должны существовать между сущностями.

Физическое проектирование представляет собой реализацию базы данных с использованием конкретной СУБД в соответствии с созданной на этапе логического проектирования моделью, разработку необходимых форм для ведения базы данных, а также ее заполнение соответствующей информацией.

В большинстве СУБД используются реляционные модели, характеризующиеся простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата реляционной алгебры и реляционного исчисления. Этот математический аппарат обладает большой выразительной мощностью: очень сложные запросы к базе данных могут быть выражены с помощью одного выражения реляционной алгебры или одной формулы реляционного исчисления. Именно по данной причине эти механизмы включены в реляционную модель данных. Заметим, что крайне редко алгебра или исчисление принимаются в качестве полной основы какого-либо языка БД. Обычно (как, например, в случае языка SQL) язык основывается на некоторой смеси алгебраических и логических конструкций.

Для поддержки технологии проектирования программного обеспечения и баз данных САПР ТП должны использоваться современные CASE-средства (Computer-Aided Software/System Engineering), которые охватывают обширную область поддержки многочисленных технологий проектирования информационных систем - от простых средств анализа и документирования до полномасштабных средств автоматизации, покрывающих весь жизненный цикл программного обеспечения. Современный рынок программных средств насчитывает около 300 различных CASE-средств, наиболее мощные из которых так или иначе используются практически всеми ведущими разработчиками. Интегрированное CASE-средство (или комплекс средств, поддерживающих полный жизненный цикл программного обеспечения) содержит следующие компоненты [4]:

• репозиторий, являющийся основой CASE-средства. Он должен обеспечивать хранение версий проекта и его отдельных компонентов, синхронизацию поступления информации от различных разработчиков при групповой разработке, контроль метаданных на полноту и непротиворечивость;

• графические средства анализа и проектирования, обеспечивающие создание и редактирование иерархически связанных диаграмм, образующих модели ИС;

• средства разработки приложений, включая языки 4GL и генераторы кодов;

• средства конфигурационного управления;

• средства документирования;

• средства тестирования;

• средства управления проектом;

• средства реинжиниринга.

Процесс решения любой технологической задачи невозможен без использования фактографической информации. Следовательно, отбор и эффективная организация фактографической информации является важным звеном в создании подсистем САПР ТП. До сих пор весьма мощным средством представления знаний являются естественный язык и некоторые некомпьютерные языки, включая табличные и графические языки. Применительно к САПР ТП - это справочники, стандарты технологического оснащения, технологические документы и т. д.

В состав технического обеспечения САПР ТП должны входить ЭВМ, периферийное и сетевое оборудование. Технические средства должны обеспечивать:

• достаточную производительность и емкость памяти;

• поддержку интерактивного режима работы за счет удобного пользовательского интерфейса;

• взаимодействие между технологами, работающими над общим проектом, путем объединения аппаратных средств в вычислительную сеть.

В результате архитектура технических средств представляет собой сеть, состоящую из узлов, связанных между собой средой передачи.

Одной из важных тенденций современных информационных технологий является создание открытых систем. Известно, что срок морального старения технических средств САПР/АСТПП составляет 1-2 года, а методов - 5-6 лет. Самым простым и очевидным является модернизация или замена технических и программных средств на новые, тех же фирм. Но темпы развития современных информационных технологий требуют гибкости в подходе к меняющимся условиям рынка. Такие системы должны быть переносимы на различные аппаратные платформы, иметь возможности модификации и комплексирования с другими системами для расширения функциональных возможностей и интегрируемости. Для этого, в первую очередь, САПР ТП должна иметь стандартизованный интерфейс по входу и выходу. Профилем открытой системы называют совокупность стандартов и нормативных документов, обеспечивающих выполнение системой заданных функций. Так в профилях САПР ТП могут фигурировать язык EXPRESS стандарта STEP, стандарт графического пользовательского интерфейса Motif, унифицированный язык SQL обмена данными между различными СУБД [5] и т. д. Проектирование открытых распределенных автоматизированных систем для проектирования и управления в промышленности составляет основу современных CALS-технологий (Continuous Acquisition and Lifecycle Support - Поддержка непрерывных поставок и жизненного цикла) [6]. В этой технологии понятия изделия и его жизненного цикла являются базовыми в рассматриваемой концепции проектирования САПР ТП, так как они лежат в основе анализа организационной структуры систем, а также методологии создания открытой интегрированной производственной системы (ИПС) - Open Manufacturing System Integration (OMSI).

Предлагаемый вариант декомпозиции жизненного цикла (в данном случае изделие - это САПР ТП) включает в себя следующие фазы:

• анализ потребности (изучение рынка);

• проектирование;

• подготовка производства;

• производство;

• лабораторные исследования;

• передача САПР ТП в эксплуатирующую организацию;

• применение САПР ТП конечными пользователями (технологами-проектировщиками) по ее прямому назначению. Завершение этапа синтеза, т.е. создание и отладка программ, представляет собой образование новой совокупности процедурных знаний, включаемую в общую сферу знаний.

Литература

1. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения. / Пер.с англ. - М.:Конкорд, 1992. - 512 с.

2. Entity-Relationship Approach to Information Modelling and Analysis//Amsterdam: North-Holland, 1983. 314 p.

3. Кренке Д. Теория и практика построения баз данных. - СПб: Питер, 2005. - 859 с.

4. Маклаков С.В. BPwin и ERwin. CASE-средства разработки информационных систем. - М: Диалог-МИФИ, 2001. - 144 с.

5. Коробейников А.Г., Гатчин Ю.А. Методы представления знаний в гибкой производственной системе сбора и обработки информации // Изв. вузов. Приборостроение. 1999. № 1. Т.42. С. 9-11.

6. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. - М: МГТУ им. Баумана, 2002. - 336 с.