ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ САПР

Различные возможности и границы применения вычислительной техники для автоматизации проектирования определяются уровнем формализации научно-технических знаний в конкретной отрасли. Чем глубже разработана теория того или иного класса технических систем, тем большие возможности объективно существуют для автоматизации процесса их проектирования.

Применение ЭВМ при проектно-конструкторских работах в своем развитии прошло несколько стадий и претерпело значительные изменения. С появлением вычислительной техники был сделан акцент на автоматизацию проектных задач, имеющих четко выраженный расчетный характер, когда реализовывались методики, ориентированные на ручное проектирование. Затем, по мере накопления опыта, стали создавать программы автоматизированных расчетов на основе методов вычислительной математики (параметрическая оптимизация, метод конечных элементов и т. п.). С внедрением специализированных терминальных устройств появляются универсальные программы для ЭВМ для решения как расчетных, так и некоторых рутинных проектных задач (изготовление чертежей, спецификаций, текстовых документов и т. п.). В последние годы большое внимание уделяется автоматизации расчетно-конструкторских работ при проектировании типовых узлов и агрегатов, когда синтез конструкции проводится эвристически, а основные параметры выбираются и оптимизируются в интерактивном режиме диалога проектировщика и ЭВМ.

Однако на всех этих стадиях автоматизации проектирования инженеру помимо изучения инструкций по эксплуатации и написанию программ приходится познавать ряд по сути дела ненужных ему подробностей системных программ и языков программирования. Кроме того, при использовании в проектировании специализированных по объектам разрозненных пакетов прикладных программ (ППП) инженер вынужден каждый раз вновь кодировать и вводить информацию согласно инструкции ППП. Отмеченные недостатки приводят к тому, что частичная («позадачная») автоматизация не оказала существенного влияния на повышение качества и производительности проектирования технических систем и средств в целом.

Решение проблем автоматизации проектирования с помощью ЭВМ основывается на системном подходе, т. е. на создании и внедрении САПР — систем автоматизированного проектирования технических объектов, которые решают весь комплекс задач от анализа задания до разработки полного объема конструкторской и технологической документации. Это достигается за счет объединения современных технических средств и математического обеспечения, параметры и характеристики которых выбираются с максимальным учетом особенностей задач проектно-конструкторского процесса. САПР представляет собой крупные организационно-технические системы, состоящие из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями конкретной проектной организации.

1. ЦЕЛЬ СОЗДАНИЯ САПР

Под автоматизацией проектирования понимают систематическое применение ЭВМ в процессе проектирования при научно обоснованном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и научно обоснованном выборе методов машинного решения задач.

Цель автоматизации — повысить качество проектирования, снизить материальные затраты на него, сократить сроки проектирования и ликвидировать рост числа инженерно-технических работников, занятых проектированием и конструированием.

Научно обоснованное распределение функций между человеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен решать задачи, носящие творческий характер, а ЭВМ — задачи, решение которых поддается алгоритмизации.

Существенным отличием автоматизированного проектирования от неавтоматизированного является возможность замены дорогостоящего и занимающего много времени физического моделирования — математическим моделированием. При этом следует иметь в виду одно важнейшее обстоятельство: при проектировании число вариантов необозримо. Поэтому нельзя ставить задачу создания универсальной САПР, а необходимо решать вопросы проектирования для конкретного семейства машин.

Для создания САПР необходимо:

совершенствовать проектирование на основе применения математических методов и средств вычислительной техники;
автоматизировать процессы поиска, обработки и выдачи информации;
использовать методы оптимального и вариантного проектирования, применять эффективные, отражающие существенные особенности, математические модели проектируемых объектов, комплектующих изделий и материалов;
создавать банки данных, содержащих систематизированные сведения справочного характера, необходимые для автоматизированного проектирования объектов;
повышать качество оформления проектной документации;
повышать творческую долю труда проектировщиков за счет автоматизации нетворческих работ;
унифицировать и стандартизовать методы проектирования;
подготавливать и переподготавливать специалистов;
реализовывать взаимодействие с автоматизированными системами различного уровня и назначения.

Комплекс средств автоматизации проектирования включает методическое, лингвистическое, математическое, программное, техническое, информационное и организационное обеспечение.

2. СОСТАВ САПР

САПР — система, объединяющая технические средства, математическое и программное обеспечение, параметры и характеристики которых выбирают с максимальным учетом особенностей задач инженерного проектирования и конструирования. В САПР обеспечивается удобство использования программ за счет применения средств оперативной связи инженера с ЭВМ, специальных проблемно-ориентированных языков и наличия информационно-справочной базы.

Структурными составными составляющими САПР являются подсистемы, обладающие всеми свойствами систем и создаваемые как самостоятельные системы. Это выделенные по некоторым признакам части САПР, обеспечивающие выполнение некоторых законченных проектных задач с получением соответствующих проектных решений и проектных документов.

По назначению подсистемы САПР разделяют на два вида: проектирующие и обслуживающие.

К проектирующим относятся подсистемы, выполняющие проектные процедуры и операции, например:

подсистема компоновки машины;
подсистема проектирования сборочных единиц;
подсистема проектирования деталей;
подсистема проектирования схемы управления;
подсистема технологического проектирования.

К обслуживающим относятся подсистемы, предназначенные для поддержания работоспособности проектирующих подсистем, например:

подсистема графического отображения объектов проектирования;
подсистема документирования;
подсистема информационного поиска и др.

В зависимости от отношения к объекту проектирования различают два вида проектирующих подсистем:

объектно-ориентированные (объектные);
объектно-независимые (инвариантные).

К объектным подсистемам относят подсистемы, выполняющие одну или несколько проектных процедур или операций, непосредственно зависимых от конкретного объекта проектирования, например:

подсистема проектирования технологических систем;
подсистема моделирования динамики, проектируемой конструкции и др.

К инвариантным подсистемам относят подсистемы, выполняющие унифицированные проектные процедуры и операции, например:

подсистема расчетов деталей машин;
подсистема расчетов режимов резания;
подсистема расчета технико-экономических показателей и др.

Процесс проектирования реализуется в подсистемах в виде определенной последовательности проектных процедур и операций. Проектная процедура соответствует части проектной подсистемы, в результате выполнения которой принимается некоторое проектное решение. Она состоит из элементарных проектных операции, имеет твердо установленный порядок их выполнения и направлена на достижение локальной цели в процессе проектирования. Под проектной операцией понимают условно Выделенную часть проектной процедуры или элементарное действие, совершаемое конструктором в процессе проектирования. Примерами проектных процедур могут служить процедуры разработки кинематической или компоновочной схемы станка, технологии обработки изделий и т. п., а примерами проектных операций — расчет припусков, решение какого-либо уравнения и т. п.

Структурное единство подсистем САПР обеспечивается строгой регламентацией связей между различными видами обеспечения, объединенных общей для данной подсистемы целевой функцией. Различают следующие виды обеспечения:

методическое обеспечение — документы, в которых отражены состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования;
лингвистическое обеспечение — языки проектирования, терминология;
математическое обеспечение — методы, математические модели, алгоритмы;
программное обеспечение — документы с текстами программ, программы на машинных носителях и эксплуатационные документы;
техническое обеспечение — устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства и их сочетания;
информационное обеспечение — документы, содержащие описание стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов, комплектующих изделий, материалов и другие данные;
организационное обеспечение — положения и инструкции, приказы, штатное расписание и другие документы, регламентирующие организационную структуру подразделений и их взаимодействие с комплексом средств автоматизации проектирования.

3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ САПР

Разработка САПР представляет собой крупную научно-техническую проблему, а ее внедрение требует значительных капиталовложений. Накопленный опыт позволяет выделить следующие основные принципы построения САПР.

1. САПР — человеко-машинная система. Все созданные и создаваемые системы проектирования с помощью ЭВМ являются автоматизированными, важную роль в них играет человек — инженер, разрабатывающий проект технического средства.

В настоящее время и по крайней мере в ближайшие годы создание систем автоматического проектирования не предвидится, и ничто не угрожает монополии человека при принятии узловых решении в процессе проектирования. Человек в САПР должен решать, во-первых, все задачи, которые не формализованы, во-вторых, задачи, решение которых человек осуществляет на основе своих эвристических способностей более эффективно, чем современная ЭВМ на основе своих вычислительных возможностей. Тесное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирования — один из принципов построения и эксплуатации САПР.

2. САПР — иерархическая система, реализующая комплексный подход к автоматизации всех уровней проектирования. Иерархия уровней проектирования отражается в структуре специального программного обеспечения САПР в виде иерархии подсистем.

Следует особо подчеркнуть целесообразность обеспечения комплексного характера САПР, так как автоматизация проектирования лишь на одном из уровней оказывается значительно менее эффективной, чем полная автоматизация всех уровней. Иерархическое построение относится не только к специальному программному обеспечению, но и к техническим средствам САПР, разделяемых на центральный вычислительный комплекс и автоматизированные рабочие места проектировщиков.

3. САПР — совокупность информационно-согласованных подсистем. Этот очень важный принцип должен относиться не только к связям между крупными подсистемами, но и к связям между более мелкими частями подсистем. Информационная согласованность означает, что все или большинство возможных последовательностей задач проектирования обслуживаются информационно согласованными программами. Две программы являются информационно согласованными, если все те данные, которые представляют собой объект переработки в обеих программах, входят в числовые массивы, не требующие изменений при переходе от одной программы к другой. Так, информационные связи могут проявляться в том, что результаты решения одной задачи будут исходными данными для другой задачи. Если для согласования программ требуется существенная переработка общего массива с участием человека, который добавляет недостающие параметры, вручную перекомпоновывает массив или изменяет числовые значения отдельных параметров, то программы информационно не согласованы. Ручная перекомпоновка массива ведет к существенным временным задержкам, росту числа ошибок и поэтому уменьшает спрос на услуги САПР. Информационная несогласованность превращает САПР в совокупность автономных программ, при этом из-за неучета в подсистемах многих факторов, оцениваемых в других подсистемах, снижается качество проектных решений.

4. САПР — открытая и развивающаяся система. Существует, по крайней мере, две веские причины, по которым САПР должна быть изменяющейся во времени системой. Во-первых, разработка столь сложного объекта, как САПР, занимает продолжительное время, и экономически выгодно вводить в эксплуатацию части системы по мере их готовности. Введенный в эксплуатацию базовый вариант системы в дальнейшем расширяется. Во-вторых, постоянный прогресс техники, проектируемых объектов, вычислительной техники и вычислительной математики приводит к появлению новых, более совершенных математических моделей и программ, которые должны заменять старые, менее удачные аналоги. Поэтому САПР должна быть открытой системой, т. е. обладать свойством удобства использования новых методов и средств.

5. САПР — специализированная система с максимальным использованием унифицированных модулей. Требования высокой эффективности и универсальности, как правило, противоречивы. Применительно к САПР это положение сохраняет свою силу. Высокой эффективности САПР, выражаемой прежде всего малыми временными и материальными затратами при решении проектных задач, добиваются за счет специализации систем. Очевидно, что при этом растет число различных САПР. Чтобы снизить расходы на разработку многих специализированных САПР, целесообразно строить их на основе максимального использования унифицированных составных частей. Необходимым условием унификации является поиск общих черт и положений в моделировании, анализе и синтезе разнородных технических объектов. Безусловно, может быть сформулирован и ряд других принципов, что подчеркивает многосторонность и сложность проблемы САПР.

4. СТАДИИ СОЗДАНИЯ САПР

Создание и развитие САПР осуществляется самой проектной организацией с привлечением (при необходимости) других организаций-соисполнителей, в том числе научно-исследовательских институтов и высших учебных заведений. Следует подчеркнуть, что создание САПР — сложная и трудоемкая работа, выполнение которой под силу только большому высококвалифицированному коллективу разработчиков.

Процесс создания САПР включает в себя восемь стадий: предпроектные исследования, техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочий проект, изготовление, отладка и испытание, ввод в действие.

Руководство разработкой, внедрением, эксплуатацией и модернизацией систем и компонентов САПР в проектной организации должно заниматься специализированное подразделение, включающее группы специалистов соответствующих направлений.

Предпроектные исследования проводятся для выявления готовности конкретной проектной организации к внедрению автоматизированных методов. Основу этой работы составляет системное обследование объекта проектирования и используемых в инженерной практике традиционных методов и приемов проектирования, а также объема технической документации, разрабатываемой в процессе проектирования. Процесс обследования осуществляется главным образом опросом опытных проектировщиков и конструкторов.

В результате обследования определяется необходимость и экономическая эффективность создания автоматизированной системы. При этом учитывается объем проектно-конструкторских работ, их периодичность, общие затраты инженерного труда, возможность создания адекватного математического описания и оптимизационных процедур, необходимость повышения качественных показателей проектируемого изделия, сокращение сроков проектирования.

Существенным фактором при решении вопроса о целесообразности создания САПР является подготовленность соответствующего проектного подразделения к созданию и внедрению САПР. Подготовленность может быть оценена по следующим критериям:

возможность формализации проектно-конструкторских задач и реализации математических методов их решения;
наличие требуемых технических средств и необходимость приобретения и установки дополнительных агрегатов;
подготовленность информационных фондов и технических средств хранения и обработки информации.

Кроме того, важно выявить факторы оценки подготовленности кадров для эксплуатации САПР, к которым можно отнести следующие:

соответствие внедряемой системы принятой организации проектных работ;
наличие в проектно-конструкторской организации кадров для эксплуатации и поддержания работоспособности САПР;
отношение руководства организации к созданию ситемы и уровень организации этих работ;
психологическая подготовленность коллектива к внедрению САПР.

Техническое задание (ТЗ) является исходным документом для создания САПР и должно содержать наиболее полные исходные данные и требования. Этот документ разрабатывает головной разработчик системы. ТЗ на создание САПР должно содержать следующие основные разделы:

Наименование и область применения, где указывают полное наименование системы и краткую характеристику области ее применения;
Основание для создания, где указывают наименование директивных документов, на основании которых создается САПР;
Характеристика объектов проектирования, где приводят сведения о назначении, составе, условиях применения объектов проектирования;
Цель и назначение, где перечисляют цель создания САПР, ее назначение и критерий эффективности ее функционирования;
Характеристика процесса проектирования, где приводят общее описание процесса проектирования, требования к входным и выходным данным, а также требования по разделению проектных процедур (операции), выполняемых с помощью неавтоматизированного и автоматизированного проектирования;
Требования к САПР, где перечисляют требования к САПР в целом и к составу ее подсистем, к применению в составе САПР ранее созданных подсистем и компонентов и т. п.;
Технико-экономические показатели, где оценивают затраты на создание САПР, указывают источники получения экономии и ожидаемую эффективность от применения САПР.

На стадиях технического предложения, эскизного и рабочего проектирования выбираются и обосновываются варианты САПР, разрабатываются окончательные решения. При этом выполняются следующие основные виды работ:

выявление процесса проектирования (его алгоритм), т. е. принятие основных технических решений;
разработка структуры САПР и ее взаимосвязи с другими системами (определение состава проектных процедур и операции по подсистемам, уточнение состава подсистем и взаимосвязи между ними, разработка схемы функционирования САПР в целом);
определение состава методов, математических моделей для проектных операций и процедур, состава языков проектирования, состава информации (объем, способы ее организации и виды машинных носителей информации), состава общего, специализированного общего и специального программного обеспечения;
формирование состава технических средств (ЭВМ периферийные устройства и другие элементы);
принятие решений по математическому, информационному, программному и техническому видам обеспечения по САПР в целом и отдельно по подсистемам;
расчет технико-экономических показателей САПР.

Оформление всей документации, необходимой для создания и функционирования САПР, выполняют на стадии рабочего проектирования.

На стадии изготовления, отладки и испытания производят монтаж, наладку и испытание комплекса технических средств автоматизации проектирования, на тестовых примерах доводят программное обеспечение и подготавливают проектную организацию к вводу в действие САПР.

Ввод в действие системы осуществляют после опытного функционирования и приемочных испытаний у заказчика.

5. ОТОБРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ В ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР

Важнейшим вопросом при создании САПР после формализации процесса проектирования является вопрос отображения проектно-конструкторской деятельности инженера в программное обеспечение.

В общем, виде процесс проектирования в САПР можно упрощенно представить схемой, показанной на рис. 1. Эта схема отображает элементарную ячейку проектно-конструкторского процесса, из цепочки, которых состоит реальный автоматизированный процесс. Все системы проектирования, создаваемые с помощью современных средств вычислительной техники, являются автоматизированными. Важнейшую роль в этих системах играет человек-инженер, разрабатывающий проект новых технических средств. Человек в САПР решает все неформализованные проектные задачи и задачи планирования работ. Современная САПР является инструментом высококвалифицированного инженера-проектировщика, поэтому тесное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирования — один из важнейших принципов построения и эксплуатации САПР.

Основным блоком в схеме процесса автоматизированного проектирования (рис. 1) является блок проектных решений. В зависимости от полноты формализации наших знаний в конкретной предметной области проектное решение может быть выполнено автоматически или в интерактивном режиме. На основе входных данных и ограничений (независимые параметры проектирования) блок изменяет варьируемые параметры (факторы решения) до получения приемлемых проектных решений (зависимых переменных).

Результаты проектирования должны быть представлены в виде, удобном для восприятия человеком, и содержать информацию, на основе которой инженер мог бы вынести суждение о результатах проектирования.

Если проектное решение утверждается, то оформляется требуемая выходная документация, если необходима корректировка проекта, инженер, уточняя варьируемые параметры, в интерактивном режиме добивается нужных результатов, когда же проектно-конструкторский процесс не приводит к намеченной цели, необходимо уточнить входные данные и ограничения.

Рассмотрение даже такой упрощенной схемы процесса проектирования позволяет уточнить разделение функции между инженером и ЭВМ в САПР. Получение вариантов проектных решений и их представление в виде, удобном для восприятия человеком, может быть возложено на ЭВМ в той мере, в какой это позволит сделать математическое обеспечение проектных процедур. Но даже при автоматическом получении вариантов проектных решений за инженером остаются важнейшие функции — ввод исходных данных для проектирования, окончательная оценка и утверждение проектных решении. В интерактивном же режиме проектирования инженер непосредственно участвует в ходе решения задач, воздействуя на выбор факторов решения и уточняя независимые переменные. Получение выходной документации в соответствии с существующими требованиями является операцией рутинной и должно выполняться автоматически.

На основании изложенного модель программного обеспечения автоматизированной проектной процедуры можно представить схемой, показанной на рис. 2.

Обобщенная модель программного обеспечения проектной процедуры в САПР имеет ряд составляющих и списки данных. В общем, виде каждая составляющая должна реализоваться своим программным модулем.

Назначение модуля формирования входных данных состоит в создании списка этих данных для проектирования и его контроля при вводе в систему. Структура и формат списка входных данных зависят от содержания проектной процедуры (расчетного модуля). Необходимо предусмотреть существование нескольких версий списка входных данных, которые с заданными именами хранятся на участках магнитного диска. Структура списка данных определяется разработчиком САПР, а формируется он либо в диалоговом режиме пользователем, либо генерируется автоматически предыдущими проектными процедурами.

Программный модуль корректировки входных данных предусматривает редактирование (удаление, вставку и т. п.) списка, потребность в котором возникает из-за ошибок пользователя при вводе данных, обнаруживаемых при контроле, а также при необходимости их уточнения в результате анализа и оценки проектных решений.

Для обеспечения тщательного контроля в САПР должны быть предусмотрены программные средства для визуализации списков данных. В общем случае необходимо иметь возможность получения нескольких видов распечатки списка данных: двоичный, десятичный, символьный, табличный и по записям. Для реализации различных требований пользователя распечатка может выводиться на экран дисплея или на АЦПУ. Все эти операции выполняет модуль распечатки входных данных.

Программные модули формирования, корректировки и распечатки ограничении на процесс проектирования функционируют аналогично описанным. Структура и формат ограничений зависят от проектного модуля, но они существенно меньше подвержены изменениям, чем структура и формат исходных данных. Однако необходимо предусматривать существование нескольких версий этих списков (например, общих требований к техническим средствам со стороны различных заказчиков).

Создание и контроль списка варьируемых параметров осуществляются программными модулями их задания и распечатки.

Расчетный модуль программного обеспечения процесса проектирования предназначен для автоматического выполнения ЭВМ всех тех операций проектной процедуры, которые удалось полностью формализовать.

Получаемые варианты проектных решений обрабатываются программным модулем подготовки данных для оценки решений и передаются модулю визуализации. Анализируя результаты проектно-конструкторского процесса, инженер должен иметь возможность просмотра выходных данных на АЦПУ, дисплее и графопостроителе, например, в виде таблиц, схем и чертежей.

Допустимо существование нескольких версий проектных решений, которые хранятся на магнитном диске и могут быть представлены в требуемом виде с помощью программного модуля документирования проектных решений.

Связь между различными программными модулями проектной процедуры и взаимодействие данной проектной процедуры с другими происходит через общую память.

Это позволяет осуществлять интерактивный автоматизированный процесс проектирования с сохранением множества различных версий, как входных данных, так и проектных решений. Для выполнения требования принципа рациональной связи САПР с окружающей средой при проектировании программного обеспечения следует стремиться к тому, чтобы список входных данных был результатом предыдущих проектных процедур или модулей. Это достигается при разработке информационного обеспечения САПР.

6. СПЕЦИФИКА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР

В комплекс средств автоматизированного проектирования входит информационное обеспечение, которое представляет собой совокупность документов, описывающих стандартные проектные процедуры, типовые проектные решения, типовые элементы и комплектующие изделия, материалы и другие данные, а также файлы и блоки данных на машинных носителях с записью указанных документов. Главной целью создания информационного обеспечения САПР является разработка информационной системы, позволяющей правильно и быстро решать проектные задачи. Это может быть достигнуто своевременной выдачей источнику запроса полной и достоверной информации для выполнения определенной части проектно-конструкторского процесса.

Основные требования к информационному обеспечению САПР следующие:

Наличие необходимой информации для обеспечения как автоматизированных, так и ручных процессов проектирования.
Возможность хранения и поиска информации, представляющей результат ручных и автоматизированных процессов проектирования.
Достаточный объем хранилищ информации. Структура системы должна допускать возможность наращивания емкости памяти вместе с ростом объема информации, подлежащей хранению. Одновременно необходимо обеспечить компактность хранимой информации и минимальное изнашивание носителей информации.
Достаточное быстродействие системы информационного обеспечения.
Возможность быстрого внесения изменений и корректировки информации, доведения этих изменений до потребителя, а также получение твердой копии документа.

При создании информационного обеспечения САПР основная проблема заключается в преобразовании информации, необходимой для выполнения проектно-конструкторских работ над определенным классом объектов, в форму, приемлемую и наиболее рациональную для машинной обработки, и выводе информации на ЭВМ в виде, удобном для восприятия человеком.

Множество данных, которые потенциально могут использоваться при функционировании САПР или служить запоминаемым результатом ее работы, образуют информационную базу данных (БД) системы. Типовыми группами данных информационного обеспечения автоматизированного проектирования являются классификаторы и таблицы соответствия для них, научно-техническая и расчетно-проектная (оперативная) информация.

Информационное обеспечение САПР можно представить в виде схемы (рис. 3), из которой видно, какое место занимает база данных, и каково взаимодействие информационной системы с проектными модулями. Это взаимодействие осуществляется через специально организуемый интерфейс, который защищает проектные программные модули от влияния специфики программной реализации информационной системы, поддерживая тем самым независимость проектных операций от вида представления информации в базе данных, В функции этого интерфейса входит также согласование и сопряжение информационной системы и проектных модулей по форматам записей (информационный аспект), по колам и обозначениям данных (содержательный аспект), и по программным средствам, языкам программирования и т. п. (программный аспект).

Сложность разработки базы данных обусловлена тем, что формирование ее структуры возможно только после разработки алгоритмов проектирования. Степень разработки алгоритмов должна быть доведена до машинной реализации, так как структура базы данных должна учитывать специфику процесса автоматизированного проектирования. Но для разработки пакета прикладных программ (ППП) необходимы сведения о структуре базы данных. Следовательно, информационное обеспечение и специальное программное обеспечение САПР должны создаваться параллельно.

Информация, используемая при проектировании, может быть разделена на статическую и динамическую (рис. 4).

Статическая информация характеризуется сравнительно редкими изменениями. К этой информации следует отнести данные ТЗ на проектирование и справочные данные, имеющие большой объем. Формирование, загрузка и корректировка справочных данных осуществляется исключительно администратором базы данных, т. е. системным программистом, формирующим базу данных. Администратор базы данных поддерживает непосредственный контакт со службой нормализации и стандартизации проектной организации. Объем данных ТЗ на проектируемый объект значительно меньше объема справочных данных, но круг лиц, имеющих право вносить изменения в ТЗ, должен быть еще более ограничен, чем круг лиц, имеющих право корректировать справочные данные.

Динамическая информация состоит из данных, накапливаемых для выполнения определенных операции проектирования (промежуточные данные), и данных, представляющих собой результат проектирования при выполнении данных операций (на рис. 4 проектные операции показаны в виде прямоугольников, обозначенных ППП1, ППП2, ... , ПППi, ... , ПППn,). Промежуточные данные постоянно меняются при функционировании САПР. Вносить изменения в варианты проектных решений имеет право только конструктор-исполнитель и его руководитель.

Информация, используемая при проектировании, по виду ее представления может быть подразделена на документальную, иконографическую и фактографическую. Документальная информация — это метаинформация. Она представляет собой поисковый образ документа, находящегося в базе данных. При необходимости может быть выдана совокупность документов, удовлетворяющих поисковому образу. В САПР информация такого вида широко используется для нахождения сведений об аналогах объекта проектирования, о патентах и авторских свидетельствах, методике проектирования и расчетов, результатах испытания и т. п.

Информация, которая содержится в изображениях документов (чертежи, фотографии и т. д.), в идентичной форме представления называется иконографической. Для ее хранения используют специальные носители (микрофиши, рулонные микрофильмы, магнитные ленты видеозаписей и т. д.). В современных САПР этот вид информации служит для хранения больших объемов графической информации, поиск которой может осуществляться с помощью сопровождающей ее документальной информации.

Основу базы данных САПР составляет фактографическая информация. Она представляет собой числовые и буквенные справочные данные о материалах, ценах, комплектующих изделиях, о спроектированных в САПР объектах и т. п. Сюда же относятся данные, необходимые для выполнения расчетов: коэффициенты, таблицы, аппроксимированные графические зависимости и т. д.

В настоящее время различают два вида автоматизированных информационных систем САПР — банки данных и информационно-поисковые системы (ИПС). Эти системы различаются видом хранимой и обрабатываемой информации и информационным языком, с помощью которого осуществляется описание данных и манипуляции с ними. Эти различия накладывают определенные ограничения на организацию информации в системе (структуры данных, форматы, связи, доступ и т. д.) и на программную реализацию.

Функционирование информационной системы обеспечивается программно-техническими средствами (машинная организация) и средствами внемашинной организации.

Программно-технические средства информационных систем — это, как правило, специальные ППП, которые обеспечивают накопление (ввод, изменения, модификацию), хранение и поиск информации.

К средствам внемашинной организации данных в информационных системах относятся:

система классификации и кодирования информации;
система ведения информационных массивов (входные формы и таблицы, оперативные документы на изменение информации и т. д.);
методические инструментальные материалы для "системного персонала (службы администрации).

Проектирование, организацию функционирования и развитие информационной системы обеспечивает системный персонал.

В информационно-поисковых системах САПР хранится и обрабатывается, как правило, документальная информация. Информационный язык в ИПС — это ограниченный (нормированный) естественный язык, с помощью которого описывают содержание документальных источников информации (статей, книг, стандартов и т. д.) в виде набора понятий, отражающих основное содержание документов.

В информационно-поисковых системах ППП не имеет специального названия, и говорят о ППП для ИПС.

Единицей хранения информации в ИПС является описание конкретного документа. Прообразами накапливаемых в системе описаний документов служат некоторые внешние первичные документы, содержащие информацию, используемую в процессе автоматизированного проектирования. Такими первичными документами могут быть отчеты по научным и конструкторским работам, патенты, справочники, статьи, каталоги и т. д.

С точки зрения пользователя, каждое описание документа представляет собой краткую библиографию источника информации (автор, заглавие, название источника, год выпуска, издательство, аннотация или реферат).

Для обеспечения взаимодействия пользователей и ИПС служит нормативный (фиксированный) словарь понятий, с помощью которого можно описывать содержание, как документов, так и запросов. Такой словарь называется тезаурусом. Тезаурус является моделью системы понятий предметной области. Поэтому документ, записанный в память ЭВМ, кроме библиографии, имеет поисковые признаки или поисковый образ, который составляется по определенным правилам с помощью понятий тезауруса. Запросы к системе формулируются также с помощью тезауруса по определенным правилам. Совокупность правил перевода с естественного языка на язык системы, и тезаурус образуют информационно-поисковый язык системы.

Совокупность документов в памяти ЭВМ образует последовательный массив (файл). Поиск информации в системе осуществляется путем сравнения понятий поискового образа документа и понятий запроса. При их полном или частичном совпадении (в зависимости от критерия выдачи) документ считается релевантным, т. е. соответствующим запросу.

Но при такой последовательной организации информации поиск и сравнение со всеми поисковыми образами заняли бы много времени. Для более эффективной организации информации в систему вводят инверсный (поисковый) массив, в котором каждому понятию тезауруса поставлен в соответствие набор номеров документов, в которых это понятие встречается.

К функциям ППП для ИПС относятся:

ведение и использование информационно-поискового языка;
ввод, накопление и изменение информации;
поддержка инверсного массива;
поиск и выдача информации по запросам.

ИПС описанного выше типа называются документальными ИПС.

Существует ИПС фактографического типа. Они отличаются тем, что в них хранение и поиск осуществляется не по набору понятий, а по набору признаков каких-либо объектов, т. е. кроме тезауруса в системе предусмотрен еще и специальный классификатор признаков объектов. ИПС фактографического типа более близки по своей организации к банкам данных.

Наиболее высокой формой организации информационного обеспечения больших САПР являются банки данных. Они представляют собой проблемно-ориентированные информационно-справочные системы, которые обеспечивают ввод необходимой информации, автономное от конкретных задач ведение и сохранение информационных массивов, и выдачу необходимой информации по запросу пользователя или программы.

В банках данных используется информация фактографического вида. Информационный язык — совокупность двух языков: языка описания структуры данных и языка манипулирования данными. Пакетом прикладных программ этих информационных систем является система управления базами данных (СУБД), которая обеспечивает работу с информационной базой, организованной в виде структуры данных. По этой заранее сформированной структуре (модели) данных производится их описание, хранение и поиск.

В СУБД описание структуры информации принято называть схемой. В зависимости от уровня представления информации различают следующие типы схем:

концептуальный (общее представление об информационной базе предметной области);
внешний (представление нн4юрмации со стороны пользователей или задач, при большом числе задач их представления могут пересекаться), внешних схем бывает несколько;
внутренний (представление информации в базе данных, т. е. на физических носителях — магнитных дисках).

Среди всех перечисленных уровней представления информации концептуальный уровень занимает особое место. Он связывает внешний уровень с внутренним и обеспечивает их относительную независимость, т. е. возможность изменения внешней схемы при неизменной внутренней и наоборот. Роль концептуального уровня состоит, прежде всего, в том, что на нем отображается та часть общей информационной базы, которая должна быть представлена в виде базы данных. Концептуальный уровень обеспечивает независимость СУБД от конкретного вида ЭВМ. Формализованное описание информационной базы на концептуальном уровне, как правило, осуществляется в терминах конкретной СУБД.

Но на начальном этапе проектирования информационной базы еще неизвестно, какая СУБД удовлетворяет требованиям создаваемого банка данных. Поэтому вводится дополнительный уровень, на котором можно было бы задать описание предметной области, не касаясь вопросов реализации, т. е. использования конкретной СУБД. Его называют информационно-логическим (инфологическим). Общая схема отображения уровней информации представлена на рис. 5.

Информационно-логическая модель определяет информационные потребности проектируемой системы и характеристики информационной базы.

СУБД выполняет следующие основные функции:

определение баз данных (т. е. описание концептуального, внешнего и внутреннего уровней схем);
запись данных в базу;
организацию хранения данных (изменение, дополнение, реорганизация данных);
представление доступа к данным (поиск и выдача данных).

Дополнительные функции (диалог, многопользовательский режим и т. д.) могут быть реализованы в виде пакетов программ окружения СУБД.

Для определения данных и доступа к ним в СУБД имеются языковые средства (специальные языки). Так, определение данных (описание концептуальной, внутренней и внешней структур) обеспечивается с помощью языка определения данных. Функции доступа к данным реализуются с помощью языка манипулирования данными и языка запросов.

По типу поддерживаемых структур различают следующие виды СУБД: иерархический, сетевой и реляционный.