Методики IDEF

Создать проект объекта (изделия или процесса) означает выбрать структуру объекта, определить значения всех его параметров и представить результаты в установленной форме. Результаты (проектная документация) могут быть выражены в виде чертежей, схем, пояснительных записок, программ для программно-управляемого технологического оборудования и других документов на бумаге или на машинных носителях информации. Проектирование, при котором проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называютавтоматизированным проектированием, в отличие от ручного (без использования ЭВМ) или автоматического (без участия человека на промежуточных этапах). Система, реализующая автоматизированное проектирование, представляет собой систему автоматизированного проектирования (САПР, в англоязычном написании CAD/CAE/CAM System — Computer Aided Design/Engineering/Manuf). Основная цель САПР — повышение эффективности труда.

Проектирование сложных объектов основано на применении ряда идей и принципов, наиболее общим из которых является системный подход. Системный подход представляет собой форму приложения теории познания и диалектики к исследованию процессов, происходящих в природе, обществе, мышлении. Его сущность состоит в том, что каждый объект в процессе его исследования должен рассматриваться как большая и сложная система и, одновременно, как элемент более общей системы. Системный подход включает в себя выявление структуры системы, типизацию связей, определение атрибутов, анализ влияния внешней среды, исследование модели системы и, возможно, оптимизацию ее структуры и функционирования.

Один из разновидностей системного, блочно-иерархический подход использует идеи декомпозиции сложных объектов на иерархические уровни, аспекты и стадии, вводит понятие стиля проектирования (восходящий, нисходящий, смешанный), устанавливает связь между параметрами соседних иерархических уровней. В проектировании выделяются уровни:

· системный, на котором решают наиболее общие задачи проектирования систем, машин и процессов; результаты проектирования представляют в виде структурных схем, генеральных планов, схем размещения оборудования, диаграмм потоков данных и т.п.;

· макроуровень, на котором проектируют отдельные устройства, узлы машин и приборов; результаты представляют в виде функциональных, принципиальных и кинематических схем, сборочных чертежей и т.п.;

· микроуровень, на котором проектируют отдельные детали и элементы машин и приборов.

В каждом приложении число выделяемых уровней и их наименования могут быть различными. Так, в радиоэлектронике микроуровень часто называют компонентным, а макроуровень — схемотехническим уровнем. Между схемотехническим и системным уровнями вводят функционально-логический уровень. В вычислительной технике системный уровень подразделяют на уровни проектирования ЭВМ (вычислительных систем) и вычислительных сетей. В машиностроении имеются уровни деталей, узлов, машин, комплексов.

Наряду с декомпозицией описаний на иерархические уровни применяют разделение представлений о проектируемых объектах на аспекты - функциональный, информационный, структурный и поведенческий (процессный). Аспект – это точка зрения, с которой рассматриваются какие-либо предмет, явления.

Функциональное описание относят к функциям системы (что делает) и чаще всего представляют его функциональными схемами. Структурное описание характеризует составные части системы (из чего состоит) и их межсоединения и может быть представлено структурными схемами, а также различного рода конструкторской документацией. Информационное описание (что, от чего и как зависит) включает в себя основные понятия предметной сущности, словесное пояснение или числовые значения характеристик (атрибутов) используемых объектов, а также описание связей между этими понятиями и характеристиками. Информационные модели можно представлять графически (графы, диаграммы сущность-отношение), в виде таблиц или списков. Поведенческое описание характеризует процессы функционирования (алгоритмы работы системы) или технологические процессы создания системы.

Наиболее крупные части проектирования как процесса, развивающегося во времени, называют стадии проектирования. Выделяют концептуальное проектирование, в процессе которого принимаются принципиальные проектные решения по облику и принципам действия проектируемых устройств и систем, стадии научно-исследовательских работ (НИР), эскизного проекта или опытно-конструкторских работ (ОКР), технического, рабочего проектов, испытаний опытных образцов или опытных партий.

В зависимости от последовательности решения задач иерархических уровней различают нисходящее, восходящее и смешанное проектирование. Последовательность решения задач от нижних уровней к верхним характеризует восходящее проектирование, обратная последовательность приводит к нисходящему проектированию, в смешанном стиле имеются элементы как восходящего, так и нисходящего проектирования. Например, при наличии заранее спроектированных составных блоков (устройств) можно говорить о смешанном проектировании.

Структурирование процесса проектирования ведется в трех направлениях, показанных на рис. 1 в виде трех координатных осей.

Рис. 1. Структурирование процесса проектирования

Разработка программного обеспечения и алгоритмов работы систем является предметом алгоритмического проектирования, а разработка технологических процессов изготовления изделий предметом технологического проектирования.

Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает появление 7 видов обеспечения САПР.

-техническое обеспечение, включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства);

-математическое обеспечение, объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;

-программное обеспечение, представляемое компьютерными программами САПР;

-информационное обеспечение, состоящее из баз данных (БД), систем управления базами данных (СУБД), а также включающее другие данные, используемые при проектировании;

-лингвистическое обеспечение, выражаемое языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР;

-методическое обеспечение, включающее различные методики проектирования, иногда к МетО относят также математическое обеспечение;

- организационное обеспечение, представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, регламентирующими работу проектного предприятия.

+ В САПР, как проектирующей системе, выделяют также эргономическое и правовое обеспечение.

Эргономическое обеспечение объединяет взаимосвязанные требования, направленные на согласование психологических, психофизиологических, антропометрических характеристик и возможностей человека с техническими характеристиками средств автоматизации и параметрами рабочей среды на рабочем месте.

Правовое обеспечение состоит из правовых норм, регламентирующих правоотношения при функционировании САПР, и юридический статус результатов ее функционирования.

Цифровую модель изделия содержит геометрию изделия и все необходимые расчетные данные, карты технологических процессов, управляющие программы для станков, маршруты снабжения, электронные описания и технические руководства изделия, что позволяет разрабатывать конкурентноспособные проекты наиболее эффективным и менее затратным образом.

Единое пространство цифровых данных о корпоративной продукции носит название PDM (Product Data Management) и ее роль в управлении созданием продукта уже превысила возможности CAD-систем. PDM-система выступает в качестве средства интеграции множества используемых на предприятии прикладных автоматизированных систем (CAD/CAM/CAE/CAPP/ERP/MRP) за счет сбора поступающей из них информации в логически единую модель.

Основные этапы Жизненный цикл промышленных изделий (ЖЦИ) таковы:

- Маркетинговые исследования потребностей рынка.

- Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР).

- Подготовка производства изделия на заводе-изготовителе серийной продукции.

- Собственно производство и сбыт.

- Эксплуатация и обслуживание изделий.

- Утилизация изделий.

- Построение системы качества продукции.

2. Математические модели на разных уровнях проектирования. Дискретизация, алгебраизация, линеаризация, преобразование моделей в процессе моделирования.

В чем необходимость концептуального проектирования, рисования схем, диаграмм потоков данных при проектировании ПО. Методики IDEF, функциональные, поведенческие, информационные описания систем, функционально-стоимостный анализ.

В проектных процедурахвместо еще не существующего проектируемого объекта оперируют некоторым квазиобъектом — моделью, которая отражает лишь некоторые интересующие свойства объекта. Модели называют математическими моделями, если они формализованы средствами аппарата и языка математики.

Математические модели могут быть геометрическими и топологическими, динамическими и статическими, детерминированными и стохастическими, аналоговыми и дискретными, численными, имитационными и т.д.. В зависимости от принадлежности к тому или иному иерархическому уровню выделяют модели системного, функционально-логического, макроуровня (сосредоточенные) и микроуровня (распределенные).

Математическая модель в общем случае представляет собой алгоритм вычисления вектора выходных параметров при заданных внутренних и внешних параметрах. Выходные параметры могут быть двух типов: во-первых, это параметры-функционалы, примеры таких параметров: амплитуды сигналов, временные задержки, мощности рассеивания и т.п. Во-вторых, это граничные значения диапазонов внешних переменных, в которых сохраняется работоспособность объекта.

К МО относят алгоритмы выполнения проектных процедур, математические модели и методы их решения. Компоненты МО определяются базовым математическим аппаратом, специфичным для каждого из иерархических уровней проектирования.

На микроуровне типичные математические модели (ММ) представлены df уравнениями в частных производных с краевыми условиями. В качестве независимых переменных фигурируют пространственные переменные x,y,z и время t. К этим моделям, еще называемым распределенными, относятся многие уравнения математической физики. Объектом исследования являются поля физических величин, что требуется при анализе прочности и теплопроводности машиностроительных деталей, потоков частиц в электронных приборах, распространения радиоволн в волноводах и пространстве. Число совместно исследуемых различных сред, деталей, слоев, фаз агрегатного состояния невелико вследствии сложностей вычислительного характера.

Резко снизить вычислительные затраты можно, применив иной подход к моделированию, основанный на принятии определенных допущений, в частности, отказе от изменения параметров по осям координат. Такое допущение, основанное на дискретизации пространства, описывает модели макроуровня. Модели называются сосредоточенными и описываются системами алгебраических и обыкновенных df уравнений с независимой переменной - время t. Упрощение описания отдельных компонентов (деталей) позволяет исследовать модели процессов в устройствах, число компонентов в которых может доходить до тысяч.

Когда число компонентов в исследуемой системе превышает некоторый порог, сложность модели вновь становится чрезмерной. Поэтому переходят на функционально-логический уровень, используя аппарат передаточных функций для непрерывных процессов и аппарат математической логики и конечных автоматов для процессов с дискретным множеством состояний. (* Конечный автомат начинает работу в состоянии q₀, считывая по одному символу входной цепочки. Считанный символ переводит автомат в новое состояние в соответствии с функцией переходов. Читая входную цепочку x и делая один такт за другим, автомат оказывается в каком-то состоянии q').

Для исследования производственных предприятий и их объединений, вычислительных систем и сетей, социальных сетей, применяют аппарат теорий массового обслуживания и другие подходы. Эти модели относятся к системному уровню моделирования.

Модели микроуровня – в техническом аспекте это задачи математической физики, к которым относятся задачи теплопроводности, диффузии, электростатики и электродинамики, задачи о течении жидкости, распределении плотности электрического тока в проводящей среде, задачи о деформации твердых тел и многое другое. Система дифференциальных уравнений, как правило, известна (уравнения Ламе для механики упругих сред; уравнения Навье-Стокса для гидравлики; уравнения теплопроводности для термодинамики и т.д.), но точное решение удается получить лишь для частных случаев, поэтому первая задача, возникающая при моделировании, состоит в построении приближенной дискретной модели.

Аналитическое решении уравнений матфизики возможно лишь для ограниченного круга задач.

В большинстве случаев решение df уравнений в частных производных состоит в дискретизации уравнений, т.е. представлении производных в виде приближенных выражений (конечных разностей), что позволяет преобразовать df уравнения в системы алгебраических уравнений. Иными словами, значения переменных исследуются для некоторого подмножества точек G области определения. Число алгебраических уравнений в полученной системе определяется произведением числа точек координатной сетки на количество независимых переменных в каждой точке (исходных df уравнениях). В нестационарных задачах вводится дополнительно сетка времени.

Дискретизация заключается в замене непрерывных переменных конечным множеством в заданном пространственном и временном интервалах.

Алгебраизация – в замене производных алгебраическими выражениями.

Линеаризация - разложение в ряд Тейлора в окрестности точки начального приближения к решению и пренебрежением всеми членами ряда кроме линейных.

Методики IDEF

Взаимосвязанная совокупность методик концептуального проектирования IDEF разработана в США по программе компьютеризации промышленности (Integrated Computer Aided Manufacturing) в 80-х годах прошлого века и была успешно применена в различных областях бизнеса, показав себя эффективным средством анализа, конструирования и отображения бизнес-процессов.

Методики IDEF задают единообразный подход к моделированию приложений, но не затрагивают проблем представления данных в процессах информационного обмена и стандартов этого представления.

IDEF0 — методология функционального моделирования и графическая нотация, предназначенная для формализации и описания бизнес-процессов. В ней рассматриваются логические отношения между работами, а не их временна́я последовательность. Методика IDEF0 рекомендуется для начальных стадий проектирования сложных искусственных систем управления, производства, бизнеса (включая людей), оборудования, ПО. Она позволяет разработчикам корпоративных информационных систем изучить сферу деятельности заказчика и решать задачи по повышению эффективности этой деятельности.

Как мы встречаем предмет, который раньше никогда не видели? Это будут вопросы типа ‘Что оно делает?” и “ Из чего оно состоит?” Ответы на эти вопросы представляют собой функциональный и структурный аспект описания объекта. Исторически так сложилось, что при проектировании новых объектов структурный аспект отражается в виде схем (принципиальные электрические, механические, комбинированные схемы и т.п.). Так вот

CASE-технологии иначе еще называют структурным системным анализом, что отражает тот факт, что функционирование разрабатываемого ПО отражается в различных схемах, таблицах, диаграммах, матрицах, картах и т.п. под девизом «одна картинка стоит тысячи слов».

В основе структурного анализа используются принципы «разделяй и властвуй» и иерархического упорядочения и выявления самостоятельных составных частей. Принцип «разделяй и властвуй» позволяет разбивать трудные проблемы на множество более мелких независимых задач, легких для понимания и решения, методом «сверху-вниз», от общего к частному в различных аспектах. Сложные свойства организации в целом, ее департаментов, подразделений и отдельных сотрудников декомпозируются на менее сложные и далее - на квазипростые (если декомпозировать далее нет необходимости) и простые (если декомпозировать далее уже невозможно). Предполагается, что каждый шаг по анализу организации выполняется с постоянным прицелом на синтез более эффективной структуры и разработку более эффективного алгоритма функционирования.