Основы построения систем автоматизированного проектирования (САПР)

Системный подход. Основные понятия и определения

Методология автоматизированного проектирования во многом определяется характеристиками решаемых задач. Задачи технологического проектирования обладают всеми признаками сложных систем [68]:

- многообразие структуры (сети, деревья, иерархические структуры и т.д.);

- многосвязевость элементов (взаимосвязь подсистем в одном уровне и между различными уровнями иерархии);

- многообразие природы элементов (машины, автоматы, люди-операторы);

- многократность изменения состава и состояния системы (переменность структуры, связей и состава системы);

- многокритериальность (наличие локальных критериев для подсистем и глобального критерия для системы в целом, их противоречивость) (рисунок 9).

	СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ
МНОГООБРАЗИЕ СИСТЕМЫ		МНОГОСВЯЗАНННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ		МНОГООБРАЗИЕ ПРИРОДЫ ЭЛЕМЕНТОВ		МНОГОКРАТНОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ		МНОГОКРИТЕРИАЛЬ НОСТЬ

Рисунок 9– Признаки сложных систем

Для исследования и разработки сложных задач в современной науке используется системный подход. Основные элементы системного подхода:

- формулирование целей системы и установление их иерархии до начала деятельности, связанной с принятием решений;

- разработка математических или логических моделей, отражающих содержание целей;

- определение ограничений и требований, накладываемых на систему средой;

- разработка различных (альтернативных) способов достижения целей;

- оценка вариантов решений, основанная на всем принятом комплексе критериев, всесторонне характеризующих варианты;

- правило выбора предпочтительного варианта (рисунок 10).

Формулирование целей до начала деятельности		СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД
Установление иерархии целей
Разработка моделей
Определение требований и ограничений
Разработка различных способов достижения целей
Комплексная оценка вариантов решений
Правило выбора вариантов

Рисунок 10 – Основные элементы системного подхода

В рамках системного подхода выделяют самостоятельные научные дисциплины: исследование операций, системотехника, системный анализ, принятие решений. Областью исследования операций служит в основном выработка оптимальных стратегий поведения существующих систем; системотехники – проектирование новых, главным образом технических систем. Применение методов системотехники в строительстве исследуется в научно-технической дисциплине системотехника строительства, объекты изучения которой – технические, организационные, управленческие системы и межсистемные связи, содействующие достижению конечного результата. Как и в исследовании операций, так и в системотехнике сравнение вариантов производится аналитическими методами.

К особенностям системного анализа относится его направленность на проблемы, где наряду с количественными присутствуют и качественные факторы. Основное средство сравнения вариантов в системном анализе – метод «стоимость – эффективность», а основная сфера использования – большие организационные системы.

Методы теории принятия решений базируются на признании центральной роли человека и направлены в основном на проблемы, где качественные факторы оказывают существенное влияние на решение задачи.

Под принятием решений как научным направлением чаще всего принимают разработку методов позволяющих человеку сравнивать или оценивать варианты принимаемых решений. Современная теория принятия решений располагает развитым математическим аппаратом, позволяющим формализовать отдельные предпочтения лиц, принимаемых решений. Современная теория принятия решений располагает развитым математическим аппаратом, позволяющим формализовать отдельные предпочтения лиц, принимающих решения (ЛПР), представив их в конечном виде в форме алгоритмов. Необходимость в разработке специальных методов сравнения вариантов при решении сложных задач объясняется тем, что аналитические методы, используемые в исследовании операций, системотехнике, системном анализе, могут быть использованы только для решения некоторых частей сложных задач, для решения задачи в целом они непригодны.

Существует множество определений понятия система. Наиболее распространены из них:

- система – целостное взаимосвязанное множество объектов, предметов;

- система – организованное множество структурных элементов, выполняющих определенную функцию;

- система – порядок (план, классификация), по которому располагается группа понятий для образования единого стройного целого;

- система – целостное множество объектов (элементов), связанных между собой взаимными отношениями.

Анализируя существующие определения, можно отметить, что понятие «система» основывается на таких факторах, как наличие множества составляющих элементов, их взаимосвязей, некоторой цели функционирования, среды системы. Кроме того, в ряде определений отражено, что система представляет собой элемент системы более высокого порядка, а элементы системы, в свою очередь, существуют как системы более низкого порядка. Названные факторы являются системообразующими, т.е. необходимыми для образования систем и, в частности, систем автоматизированного проектирования.

Системный подход предполагает обязательный анализ структуры системы. Под структурой понимается совокупность элементов системы и устойчивых связей между ними, обеспечивающих её целостность и тождественность самой себе, т. е. сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.

В целях упрощения исследования, разработки, организации и управления системой она обычно подразделяется на более мелкие структурные части – элементы системы.

Таким образом, структура системы может быть определена через понятия «система», «элемент», «связь».

Под элементом системы понимается, как правило, часть системы, неделимая с точки зрения принятого аспекта исследования системы.

Анализ взаимосвязи понятий «система» и «элемент» показывает, что система обладает такой целостностью, при каждый её элемент есть причина и одновременно следствие состояния другого элемента системы, Вместе с тем, несмотря на относительную самостоятельность её элементов, абсолютная их самостоятельность невозможна. Целостность системы обеспечивается посредством связи между её элементами. Характеристика связи влияет на тип структуры системы.

Связи системы могут квалифицироваться, по крайней мере, на два типа: между однородными элементами и между элементами, находящимися в определённой зависимости. Первый тип связи определяет «горизонтальную», а второй – «вертикальную» иерархическую структуру. Последовательное вертикальное расположение подсистем, составляющих системы, даёт только из трёх существующих характеристик иерархии. К двум другим относятся: приоритет действий и целей нижнего уровня по отношению к верхним, с одной стороны, и зависимость действий нижнего уровня от исполнения верхними уровнями своих функций, с другой.

Иерархия – специфический признак сложных систем. Действительно сложную систему невозможно описать полно и детально, не установив отношений иерархии, когда каждый элемент системы выполняет свою функцию, которая служит составной частью функции всей системы.

Таким образом, иерархические структуры позволяют совершить логический переход от целого к части, что повышает вероятность упорядочения всех свойств в соответствии с общими требованиями: чем выше уровень иерархии, тем детальнее и конкретнее становится содержание системы, чем ниже – тем яснее общие цели системы.

Следует различать иерархию элементов и иерархию целей. Представление системы в виде иерархии целей означает декомпозицию сложной системы принятия решений на более простые таким образом, что их решение позволяет решить исходную задачу.

Широкое применение в разработке систем автоматизированного проектирования объектов строительства нашли принципы кибернетики. Предмет изучения кибернетики – сложные системы, способные хранить, передавать и преобразовывать информацию.

Один из самых важнейших принципов кибернетики заключается в том, что все системы рассматриваются с точки зрения возможности формализации, т. е. строгого математического описания процессов, которые связаны с управлением и переработкой информации. Такой подход предполагает широкое использование математического моделирования.

Метод математического моделирования стал основным и в системах автоматизированного проектирования. Однако не все понятия и процессы в проектировании могут быть описаны математически.

Моделирование понятий и процессов, которые не поддаются математическому описанию, производится в кибернетике с помощью специфического функционального подхода, получившего название «чёрный ящик».

«Чёрный ящик» – это система, в которой внешнему наблюдению доступны лишь входные и выходные величины, а внутреннее устройство и характер процессов, протекающих в системе, неизвестны.

Пусть на входе системы будут иметь место воздействия x₁, x₂,..., x_m, а на выходе сигналы y₁, y₂,..., y_m (рисунок 11). Если с такой системой провести эксперимент, изменяя входные данные, то, не зная устройства самой системы, можно сделать вывод о том, какие выходные данные могут быть получены при изменении входных. Таким образом, с помощью метода «чёрного ящика» сложные системы, полностью не поддающиеся обзору и описанию, можно преобразовывать в системы, которые математически описываются и могут быть представлены в виде программ для ПК.

«ЧЕРНЫЙ ЯЩИК»

Рисунок 11 – Схема функционирования системы по принципу «черного ящика»

В системах автоматизированного проектирования получили применение и такие понятия, как «прямая» и «обратная» связь.

Прямой связью называется связь, посредством которой происходит передача от управляющего объекта управляющему объекту. Обратной связью называется связь, посредством которой происходит передача от управляющего объекта управляющему органу информации о состоянии управляемого объекта и о результатах воздействия на него со стороны управляющего органа. Схема функционирования систем с прямыми и обратными связями в самом общем виде изображена на рисунке 12.

Канал обратной связи

ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА

Канал прямой связи

Рисунок 12 – Схема функционирования произвольной системы управления

В такой системе управляющая система воздействует на объект управления по каналу прямой связи и получает по каналу обратной связи информацию о результатах этого воздействия. Таким образом, управляющая система не только «знает», как себя ведёт управляемая система, но и может в зависимости от её поведения изменять свои команды для достижения заданной цели.

Одна из главных проблем, которая разрабатывается в кибернетике – проблема взаимодействия человека и ПК. Смысл постановки этой проблемы в границах систем автоматизированного проектирования объектов заключается в том, чтобы, с одной стороны, с помощью машины расширить творческие возможности человека-проектировщика, предоставив ему новую информацию при решении задач проектирования, а с другой стороны, освободить проектировщика от самых трудоёмких операций, которые могут выполняться ПК.

Кроме общих теоретических положений для разработки систем автоматизированного проектирования конкретных объектов требуется знание специальной теоретической базы, на которой основывается данная область знаний.

Для автоматизации архитектурно – строительного и технологического проектирования такой специальной теоретической базой служат строительные и технологические научные дисциплины. К ним относятся основы проектирования: виды объектов строительства, их классификация, требования к объектам; единая модульная система, унификация, типизация, нормализация в строительстве; технология предприятий по хранению и переработке зерна; физико-технические основы проектирования (теплофизика, светотехника, инсоляция, акустика) и т. д.