Обоснование выбора метода автоматизированного проектирования комплекса

УДК 004; 681; 658.512.2

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МЕТОДА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМПЛЕКСА

А.И. Столяров, Ю.В. Донецкая, Ю.А. Гатчин

Выполнен анализ существующих подходов и методов автоматизации проектирования изделий. Отмечена недостаточность информации о методах проектирования таких сложных изделий, как комплекс. Особая сложность комплекса оказывает влияние на сроки и организации работ по его проектированию. Разработаны и исследованы схемы методов проектирования. Определен метод проектирования комплекса, составлен его граф и выполнен сравнительный расчёт. В основу метода проектирования комплекса положен метод встречного параллельного проектирования.

Ключевые слова: комплекс, сложное изделие, нисходящее проектирование, восходящее проектирование, встречное проектирование, параллельное проектирование.

Рост требований к изделиям обуславливает рост их сложности, сокращение сроков проектирования и повышение качества.

Из всех стадий жизненного цикла изделия проектирование является одним из важнейших, так как на этой стадии впервые зарождается образ будущего изделия и закладываются базовые основы всех работ по претворению идеи в конкретное изделие. Именно поэтому от результатов выполнения этой стадии в значительной степени зависят все основные важнейшие показатели и характеристики будущего изделия: технические, временные, экономические, качественные, эксплуатационные. В силу этого, процессу проектирования уделяется особое внимание.

Удовлетворение сложных и разнообразных требований заказчика приводит к созданию такого наиболее сложного вида изделий, как комплекс, который содержит в своей структуре самостоятельные изделия со своими индивидуальными свойствами, способными индивидуально и в совокупности удовлетворять различные требования заказчика.

Особая сложность комплекса порождает особенности САПР при его проектирований,увеличивает сроки проектирования, а также вызывает необходимость привлечения к проектированию большого числа сотрудников из различных подразделений.

В условиях того, что над одним изделием работают сотрудники различных подразделений, возникают проблемы в организации их работ и взаимодействия.

По этим причинам выбор методов проектирования и вопросы организации работ и взаимодействия проектировщиков при создании комплекса имеют важнейшее значение и, применительно к сложным изделиям, им уделяется определённое число публикаций в специальной научно-технической литературе.

Однако, по нашему мнению, не все возможности разнообразия методов проектирования комплекса рассмотрены в литературе и необходимо разработать новый, основанный на максимальном синтезе существующих. Это требует проведения поиска, исследований, разработки и применения оригинальных способов и средств создания комплекса и, в первую очередь, его проектирования.

Данная статья является одной из работ, направленных на решение этих задач.

Необходимо отметить, что основным обобщенным подходом к проектированию является системный подход. Он является универсальным и всеобщим, так как лежит в основе методик проектирования сложных объектов и систем. Составные части изделийрассматриваются с учётом их связей и взаимодействий.

С точки зрения методологии системный подход к комплексам должен базироваться на следующих положениях:

- при исследовании и проектировании изделия или системы первичным должен быть реализован их структурный анализ, при выполнении которого определяется структура изделия, выявляются его составные части и связи между ними;

- следует определить атрибуты составных частей;

- выполнить анализ влияния внешней среды.

Особенность блочно-иерархическогоподхода состоит в том, что изделие расчленяют на части, которые затем помещают на свой соответствующий иерархический уровень (ступень).

Рассмотрим существующие методы проектирования изделий:

- в работе [1] в сжатой форме рассматриваются теоретические вопросы применения нисходящего, восходящего и смешанного методов проектирования. Указывается, что для сложных систем нисходящее проектирование предпочтительнее. Подчеркивается, что при наличии ранее спроектированных составных частей объектов применяют смешанное проектирование. Это наиболее характерный случай в настоящее время. К достоинствам работы можно отнести то, что в ней в сжатой форме излагаются принципы системного подхода к проектированию, иерархическая структура проектных операций и другая базовая информация по САПР, что позволяет технически грамотно разработать и применить необходимый метод проектирования для комплекса. К замечаниям можно отнести некоторую ограниченность количества практических примеров;

- в работе [2] приводятся результаты рассмотрения и применения методов восходящего и нисходящего проектирования сложных изделий, а также краткие характеристики и описания этих методов и область их применения. Отмечается, что проектирование снизу-вверх, относится к традиционному подходу. Оба метода имеют положительные и отрицательные стороны. Подчёркивается, что они имеют широкое применение, каждый -

для изделий со своей спецификой. Однако, с учётом совокупности факторов, можно сделать вывод, что возможности нисходящего метода шире и в статье ему отдаётся предпочтение;

- в работе [3] рассматриваются применяемые на практике, методы нисходящего и восходящего проектирования изделий. Приводятся краткое описание этих методов, их положительные и отрицательные стороны. Указывается, что нисходящее проектирование используется за рубежом и в России на передовых предприятиях. На примере разработки модели роторного насоса кратко описываются процедуры нисходящего проектирования. Достоинство статьи - краткость информации о методах проектирования, недостаток - излишняя лаконичность.

- в работе [4] рассматривается модель многоуровневой сборки нисходящего проектирования механических систем. Авторы отмечают, что в связи с быстрым развитием мировой экономики вновь создаваемые изделия характеризуются всё возрастающей сложностью, поэтому эффективность разработки этих продуктов имеет большое значение. Среди различных стратегий проектирования изделий подход нисходящего проектирования является весьма приоритетным и естественным. Отмечено, что при этом методе проектирования работы могут выполняться параллельно. Учитывая важность нисходящего проектирования при разработке изделия должны быть типизированы компьютерные инструменты и пакеты программ, что позволит проектировщикам выполнять проектирование изделий более легко и удобно. К сожалению, программное обеспечение САПР в большинстве коммерческих программ для этого метода проектирования ограничено.

В целом, из анализа печатных работ можно отметить однонаправленность рассматриваемых методов проектирования и отсутствие информации практического анализа по другим методам, особенно таких сложных изделий, как комплексы.

Комплекс как изделие (в том числе и его составные части) создаётся в сложной среде проектирования различными группами разработчиков. Это вызывает характерные сложности в организации работ и взаимодействия сотрудников (проектировщиков). Причинами возникновения этих сложностей являются:

несогласованность располагаемых ресурсов исполнителей (сотрудников) - различное количество работников и техническое оснащение рабочих мест, их несоответствие решаемым задачам;

профессионализм исполнителей (сотрудников) - их опыт работы и квалификация;

несоответствие программных средств решаемым задачам;

недостаточное организационное обеспечение работ - производственная и информационная разобщённость.

Следует отметить, что использование опыта других организаций не создаёт получение аналогичных результатов в организации работ и взаимодействия подразделений из-за:

- различий программ;

- отличий в используемых системах взаимодействия;

- несовпадения систем управления проектированием.

Поэтому с учётом изложенного для комплекса приобретает особую важность выработка наиболее оптимального подхода к проектированию в условиях применения САПР.

Сложность множества задач, стоящих перед комплексом, предопределяет особую сложность его структуры и связей между его структурными составными частями [5] и, в конечном итоге, сложность его конструкции.

Структурно комплекс содержит непосредственно комплексообра-зующие изделия: только сборочные единицы и комплексы первой нижней ступени вхождения [6], которые, в свою очередь, достаточно сложные изделия со своими относительно самостоятельными свойствами [7]. Это приводит к тому, что комплекс содержит огромное количество конструктивных элементов, число которых постоянно увеличивается и которые также являются объектами проектирования.

О масштабах такого постоянного роста количества конструктивных элементов сложных изделий, в том числе и комплекса, говорит тот факт, что в информационной среде возникла серьёзная проблема Больших Данных (BigDate) [8]. Это вынуждает проектировщиков разрабатывать огромный объём конструкторской документации.

Такое увеличение количества элементов приводит к снижению производительности труда, качества и к увеличению сроков выполнения работ. Для устранения этого идёт поиск различных способов улучшения. В этой связи, казалось бы, естественно увеличение мощности ЭВМ (вычислительной техники). Однако это, как показывает практика, не даёт ожидаемого результата: так, кратное увеличение мощности ЭВМ не даёт такого же кратного увеличения производительности труда проектировщиков.

В работе [9] на опыте разработки рабочих конструкторских моделей изделий делается вывод, что только простое увеличение мощности ЭВМ в 2 раза не приводит к сокращению во столько же раз времени регенерации моделей; коэффициент, зависящий от целого набора параметров, может иметь значения в диапазоне 1,3 - 1,8. С учётом, в том числе и этих факторов, в работе ставится задача поиска иных решений, позволяющих более продуктивно работать с полными рабочими конструкторскими моделями.

Сложность комплекса обуславливает увеличение сроков его проектирования и требует привлечения к проектированию большого числа сотрудников из различных подразделений. Однако эффективность применения систем автоматизированного проектирования (САПР) в этом случае, существенно зависит от организации работ по проектированию и от эффективности взаимодействия всех участников применения САПР. Для этого необходима консолидированная разработка алгоритмов взаимодействия.

Методов проектирования изделий относительно много. Такое многообразие методов можно объяснить:

- многообразием конструкций создаваемых изделий;

- разнообразием технической сложности изделий;

- исследовательскими и проектными возможностями разработчика;

- особенностями кадров: образованием, квалификацией, грамотностью, опытом работы, количеством;

- технической и программной оснащённостью проектировщиков;

- информационной оснащённостью проектировщиков и др.

Применительно к целям настоящей работы кратко рассмотрим

особенности основных методов проектирования, их достоинства и недостатки.

Метод нисходящего проектирования представляет собой совокупность последовательных однонаправленных «сверху - вниз» проектных процедур, следующих одна за другой. Процесс проектирования начинается с изделия в целом и заканчивается разработкой «деталей», при этом конец одной процедуры (предыдущей) является началом другой процедуры (последующей).

Такая схема проектирования характеризуется простотой, хорошей надёжностью и согласованием концевых участков смежных проектных процедур, что в общем случае снижает вероятность ошибки проектирования, так как имеется возможность контролировать связи между составными частями. Схема допускает распараллеливание работ.

К недостаткам метода можно отнести возможную относительную длительность затрачиваемого времени на весь процесс проектирования.

Метод восходящего проектирования представляет собой совокупность последовательных однонаправленных «снизу - вверх» проектных процедур, следующих одна за другой. Процесс проектирования начинается с «деталей» и заканчивается разработкой изделия в целом. При этом конец одной процедуры (предыдущей) является началом другой процедуры

(последующей). Особенностью метода является то, что для его осуществления необходимо иметь базу ранее спроектированных составных частей изделий.

Однако в ряде случаев наличие такой базы данных позволяет использовать неинтегрированные системы проектирования нижнего и среднего уровня (CAD, CAM).

К недостаткам метода можно отнести то, что проектирование составных частей изделия осуществляется без взаимного согласования и в случае ошибки при проектировании может потребоваться проведение значительного объёма работ по её исправлению.

Метод смешанного проектирования сочетает элементы метода нисходящего проектирования и восходящего, что предопределило его характеристики.

Особенностью схемы метода является то, что при надлежащем сочетании элементов методов нисходящего и восходящего проектировании длительность затрачиваемого времени на весь процесс проектирования может быть существенно снижена. Это может оказаться решающим фактором при выборе и разработке метода проектирования.

К недостаткам метода можно отнести относительную сложность его реализации.

Метод параллельного проектирования заключается в разделении сложных задач на некоторое число менее сложных задач. Обязательным условием такого разделения является возможность одновременного решения менее сложных задач. Это позволяет применить относительно простые способы проектирования и значительно снизить длительность затрачиваемого времени на весь процесс проектирования.

Однако метод параллельного проектирования изделий требует обязательного взаимодействия между составными частями, что обуславливает необходимость синхронизации различных процессов. Это вызывает дополнительной сложности в реализации метода.

При современном уровне развития науки и техники комплекс, каким бы сложным он ни был, как правило, не создаётся из «ничего». Любые идеи, какими облачными они не были, всегда формируются на основании уровня знаний, достигнутых человечеством за предшествующие периоды его развития, и осеняют того человека, который своим талантом умеет накапливать их в своём мозгу, извлекать и применять для решения необходимых конкретных задач.

Кроме этого, любое, тем более сложное изделие, содержит в своём составе некоторое количество заимствованных различных изделий, хорошо зарекомендовавших себя в ранее выпущенных изделиях.

Изложенная вышеклассификация методов проектирования является достаточно условной, так как «в чистом виде» ни один из методов не существует и каждый содержит те или иные элементы других методов. Это зависит от технического и научного оснащения, уровня знаний и опыта работы разработчиков, традиций и т.д. Да и выбор основного метода также является результатом учёта многих факторов. Так, например, при необходимости разработать концепцию изделия и наличии мощной научной и исследовательской баз предпочтение отдаётся нисходящему проектированию. При сильно развитой опытной и производственной базе и наличии опыта выпуска большого количества готовых конечных изделий (имеется мощная база различных готовых составных частей, возможно подходящих для будущих изделий) предпочтение отдаётся восходящему методу.

С точки зрения схемотехники любой процесс проектирования представляет собой заданную совокупность последовательностей проектных процедур.

Совокупности, последовательности и проектные процедуры могут независимо друг от друга последовательно следовать одна за другой только в одном направлении или в разных направлениях (встречно). В этих случаях однонаправленное движение можно называть восходящим или нисходящим проектированием, а разнонаправленное встречное движение -смешанным проектированием.

Направление движения определяется по теории графов построением дерева проектирования всего изделия.

На рисунке показан граф, разработанный для выбранного метода проектирования комплекса ипредставляющий собой дерево с вершиной и корнями, принципиально двух типов: структурно известными и неизвестными.

Вершина дерева условно обозначает комплекс, который необходимо разработать. Известные корни обозначают заимствованные различные изделия, неизвестные корни обозначают ещё не спроектированные изделия.

Проектирование можно проводить от вершины к корням - нисходящее проектирование. Используя известные корни, можно проектировать от корней к вершине - восходящее проектирование. Объединяя эти два метода проектирования, получаем встречное проектирование.

Сокращение времени проектирования, по сравнению с однонаправленными методами проектирования (нисходящим и восходящим), возможно применением встречного проектирования. Дальнейшее сокращение этого времени может обеспечить введение параллельного проектирования, как внутри каждой ветви направления, так и между ветвями направлений встречного проектирования, т.е. одновременное проведение нисходящего и восходящего проектирования.

Ступень

п

Рис. 1. Электронная структура процесса проектирования комплекса: £)- существует проект комплекса (КС);0- отсутствует проект комплекса (КС); # - существует проект сборочной единицы (СБ)- отсутствует проект сборочной единицы (СБ);

О^существует проект детали (Д); ^-отсутствует проект

детали (Д);--линия процесса проектирования;

линия входимости одного изделия в другое

При нисходящем и восходящем проектированиях также может применяться параллельное проектирование несколькими потоками, при этом число потоков, в принципе, может быть любое.

Параллельное движение применимо как для организации самого процесса проектирования, так для организации работы нескольких исполнителей.

Исходя из изложенного, для проектирования комплекса целесообразно выбрать, метод встречного параллельного проектирования. Особенность этого метода состоит в том, что он включает элементы встречного и параллельного проектирования. Каждый из этих методов обеспечивает значительное снижение затрачиваемого времени на процесс проектирования и следует ожидать, что объединение этих методов существенно снизит этот важнейший критерий качества процесса проектирования.

Расчёт выполним для встречного метода проектирования.На рисунке встречное проектирование реализуется, например, объединением однонаправленного нисходящего проектирования по маршруту КС.0.1-СБ.1.1-СБ.2.2-СБ.3.2-Д.4.1 и Д.4.2 и восходящего проектирования по маршруту Д.4.1 и Д.4.2-СБ.3.2. Обозначение координат маршрута проектирования на рисунке выполнено по следующим условиям: СБ.3.2: СБ - сборочная еди-

505

ница; 3 - ступень вхождения данной сборочной единицы на рис.1; 2 - порядковый номер данной сборочной единицы на 3 ступени вхождения. Расчёт эффективности применения встречного проектирования вместо однонаправленного (нисходящего) выполним по следующей методике:

Примем для упрощения расчёта затраты времени на каждый этап проектирования одинаковыми и равными 3 временным единицам {1Э = 3ед.).

Тогда на весь процесс проектирования затрачивается время:

однонаправленное нисходящее проектирование от КС.0.1 до Д.4.1и

Д.4.2

+ + - +

или

= ^ + ^ + ^ + и + ед, где - время проектирования на каждом рассматриваемом этапе, ед.;

I - порядковый номер этапа проектирования; 2 - число этапов проектирования.

Тогда 1:п1 = 15 ед.

Однонаправленное восходящее проектирование на рассматриваемом маршруте между КС.0.1 и Д.4.1 (Д.4.2) осуществляется на одном цикле от Д.4.1 и Д.4.2 до СБ.3.2. В этом случае:

1) на один этап уменьшается число выполняемых самостоятельных этапов и соответственно сокращается затрачиваемое время на весь процесс проектирования:

затрачиваемое время на восходящем этапе проектирования

^4,5 — ед.,

и>5 = 3 ед.;

затрачиваемое время на весь процесс проектирования

*п2 = - и,5, ед.

Ьи2 = 12 ед.

2) не требуется выполнять этапы СБ.2.2 - СБ.3.2 и соответственно сокращается затрачиваемое время на весь процесс проектирования

^пз — — tз = Ьп2 ~ ед-, Ипз = 9 ед.

Если применить при встречном проектировании одновременно параллельное проектирование, то есть (при нашем методе) восходящее проектирование проводить одновременно с одним из этапов нисходящего проектирования, то затрачиваемое время на весь процесс проектирования

— ^пЗ — ^4,5 = ^ — 3 * t4J5, ед.,

1:П4 = 6 ед.

В итоге затрачиваемое время на весь процесс проектирования сократилось в 2.5 раза.

При применении нескольких параллельных потоков проектирования затрачиваемое время сократится ещё значительнее.

Таким образом, расчёт подтвердил возможность сокращение времени проектных работ, и, следовательно, обоснованность выбранного метода встречного параллельного проектирования.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 17-0700700 "а") -"Методы формальной и функциональной верификации вычислительных процессов, основанные на знаниях и графоаналитических моделях".

Список литературы

1. Основы автоматизированного проектирования: А.Н.Божко [и др]. М.: ИНФРА-М. 2017. 329 с.

2. Комарова Л.А., Филатов А.Н. Применение технологии нисходящего проектирования, основанной на решениях Windchill PDMLINK и САПР pro/engineer, для разработки изделий ракетно-космической техники // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13. №1(2). С. 297-303.

3. Вельищев В.В., Суфляева Н.Е., Регенерация о преподавании технологии проектирования в техническом вузе // Современные тенденции развития науки и технологий. 2016. №5-3. С. 55-58.

4. X. Chen, et al. Multi-level assembly model for top-down design of mechanical products // Computer-Aided Design.2012. № 44.P. 1033-1048.

5. Столяров А.И. Анализ структуры сложных изделий приборостроения // Альманах научных работ молодых ученых университета ИТМО. 2016. Т. 5. С. 45-48.

6. Столяров А.И., Донецкая Ю.В., Гатчин Ю.А. Особенности формирования электронной структуры комплекса в приборостроении // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 2. С. 312-317.

7. Столяров А.И., Гатчин Ю.А. Анализ структуры сложных изделий приборостроения // Альманах научных работ молодых ученых университета ИТМО. 2016. Т. 5. С. 45-48.

8. Васильева Е. Круглый стол: СХД в эпоху Больших Данных // Рациональное Управление предприятием. 2015. №1. С. 9-16.

9. Гукало А. А. Оценка эффективности применения методов автоматизированного проектирования при разработке рабочей конструкторской документации в среде PRO/ENGINEER-WINDCHILL // Космонавтика и ракетостроение. 2 (71), 2013 С. 73-77.

507

Столяров Алексей Игоревич, аспирант, aistol@corp.ifmo.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО),

Донецкая Юлия Валерьевна, канд.техн.наук, доцент, donetskaya julia@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО),

Гатчин Юрий Арменакович, д-р техн.наук, профессор, gatchin@,mail.ifmo.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

SUBSTANTIATION OF THE CHOICE OF THE METHOD OF AUTOMATED DESIGN

OF THE COMPLEX

A.I. Stolyarov, J. V.Donetskaya, Yu. A. Gatchin

The analysis of existing approaches and methods of automation of product design is made. The lack of information about the methods of designing such complex products as the complex is noted. The special complexity of the complex has an impact on the timing and organization of work on its design. Schemes of design methods are developed and investigated. The method of designing the complex is determined, its graph is compiled and a comparative calculation is made. The method of designing a complex is based on the method of counter parallel design.

Key words: complex, complex product, top-down design, bottom-up design, counter-design, parallel design.

Stolyarov Alexey Igorevich, postgraduate, aistol@corp.ifmo.ru, Russia, St. Peters-burg,St. Petersburg National research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (ITMO University),

Donetskaya Julia Valeryevna,candidate of technical sciences, docent, donetskaya ju-lia@,mail.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg National research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (ITMO University),

Gatchin Yuri Armenakovich, doctor of technical sciences, professor, gatchin@,mail.ifmo.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg National research University of Information Technologies, Mechanics, and Optics