Программное обеспечение сапр

Классификация математических моделей объекта проектирования

«Математической моделью некоторого явления называется запись его на формальном языке с целью получения нового знания формальными методами».

Рассмотрим их классификацию [7].

В зависимости от характера отображаемых свойств объекта проектирования выделяют:

1. Функциональные модели, описывающие процесс функционирования объекта. Эти модели в основном имеют вид систем уравнений.

2. Структурные модели, описывающие взаимосвязь элементов в пространстве с помощью каналов, проводников и других связей. Эти модели обычно не учитывают особенности физических процессов в системе. Модели представляются в виде графов, матриц, списков и т.п.

По способам получения информации об объекте проектирования функциональные модели подразделяются на:

1) теоретические, при выводе которых использованы фундаментальные закономерности из данной предметной среды;

2) формальные, получаемые посредством методов идентификации, то есть проявления некоторого процесса во внешней среде. Далее в зависимости от вида соотношений модели выделяют линейные и нелинейные модели.

В зависимости от множества значений переменных выделяют непрерывные и дискретные модели.

В зависимости от учета инерционности объекта проектирования, модели подразделяются на статические и динамические.

Кроме этого выделяют аналитические модели, в виде систем уравнений и имитационные модели в виде некоторого алгоритма, описывающего функционирование объекта.

По способу учета случайных факторов выделяют детерминированные и стохастические модели.

Классификация моделей представлена на следующем рисунке.

Используемые математические модели определяются предметной областью объекта проектирования [5]. Предметная область соответствует полному физическому и математическому описанию законов и условий функционирования объекта, среды функционирования и способов организации структур изменяемых и настраиваемых объектов и т.п.

Программное обеспечение (ПО) САПР представляет собой совокупность программ на машинных носителях с необходимой программной документацией, предназначенной для выполнения автоматизированного проектирования (ГОСТ 23501.4-79). ПО подразделяют на базовое, общесистемное и специализированное [26].

Базовое программное обеспечение не является объектом разработки при создании ПО САПР, поэтому в дальнейшем рассматриваться не будет.

Общесистемное программное обеспечение является инвариантным к объектам проектирования. Основные функции общесистемного ПО САПР: управление процессом вычислений; ввод, вывод и обработка инструкций пользователей; диалоговая взаимосвязь с пользователем в процессе проектирования; хранение, поиск, анализ, модификация данных, защита их целостности. В состав общесистемного ПО САПР входят:

1. Операционная система.

2. Системы программирования и средства для выполнения общетехнических расчетов.

3. Системы управления базами данных (СУБД).

4. Средства формирования графической и текстовой информации (офисные системы).

5. Геометрические и графические процессоры (издательские графические системы).

6. Программные средства для работы с сетью.

Специализированное программное обеспечение функционирует в операционной системе, которая состоит из общесистемного и базового ПО. Основной его функцией является получение проектных решений. Его состав определяется спецификой организации и возможностей общесистемного ПО САПР.

По функциональному назначению ПО САПР можно разделить на ряд программных комплексов (ПК), представляющих собой совокупность программных, информационных, методических, математических и лингвистических компонент, предназначенных для выполнения заданных функций. Основу ПК составляет конечное множество программных модулей, каждый из которых является программной реализацией некоторого специализированного алгоритма или его фрагмента.

Можно выделить следующие ПК: проектирующие, обслуживающие и инструментальные.

Проектирующие ПК предназначены для получения законченного проектного решения и в свою очередь делятся на проблемно-ориентированные и объектно-ориентированные. Проблемно-ориентированные ПК выполняют унифицированные проектные процедуры, не зависимые от объекта проектирования. Объектно-ориентированные ПК используются для проектирования объектов определенного класса. Проектирующие ПК входят в состав СПО.

Обслуживающие программные комплексы предназначены для поддержания работоспособности проектирующих ПК и входят в состав общесистемного ПО.

Инструментальные ПК представляют собой технологические средства, предназначенные для разработки, развития и модернизации ПО САПР. Инструментальные ПК можно разделить на инструментальные средства, являющиеся частью САПР и используемые в процессе ее работы, и инструментальные средства, используемые только во время разработки САПР [27].

Инструментальные средства, используемые в процессе работы САПР включают в себя: системы управления базами данных и файлами; средства для работы с общими структурами данных в оперативной памяти; программное обеспечение для обеспечения взаимодействия с пользователями, работающими за разными компьютерами; средства машинной графики; пакеты математических подпрограмм.

Инструментальные средства, применяемые при разработке САПР, служат для облегчения и сокращения сроков создания ПО САПР и включают в себя средства тестирования, документирования, и т.п.

Проектирование ПО САПР осуществляется на основе принципов системного единства, развития, совместимости, стандартизации.

Принцип системного единства. При создании, функционировании и развитии ПО САПР связи между компонентами должны обеспечивать ее целостность.

Принцип развития. ПО САПР должно создаваться и функционировать с учетом пополнения, совершенствования и обновления ее компонент.

Принцип совместимости. Языки, символы, коды, информация и связи между компонентами должны обеспечивать их совместное функционирование и сохранять открытую структуру системы в целом.

Принцип стандартизации. При проектировании ПО САПР необходимо унифицировать, типизировать и стандартизировать программное обеспечение, инвариантное к проектируемым объектам.

Одной из проблем, возникающих при проектировании ПО САПР, является создание единого информационно-совместимого между собой программного комплекса, предназначенного для выполнения автоматизированного проектирования.

В САПР можно выделить три квалификационные категории пользователей, которые занимаются разработкой и использованием САПР [11].

Разработчики САПР – специалисты в области применения ЭВМ, способные разрабатывать базовые методы, средства и оснащение САПР, общесистемное ПО, инструментальные и технологические средства проектирования, осуществлять генерацию и настройку САПР на условия конкретного применения.

Прикладные программисты имеют высокую квалификацию, знают методологию проектирования, алгоритмы прикладной области и могут разрабатывать СПО, используя общесистемное ПО.

Проектировщики – специалисты в области проектирования, хорошо освоившие возможности САПР для выполнения автоматизированного проектирования.

Рассмотрим подробнее состав общесистемного ПО САПР.

Прикладные программы на ЭВМ выполняются под управлением специального комплекса программ, который носит название “операционная система” (ОС). ОС предназначена для планирования и организации процесса ввода-вывода, обработки, управления данными, распределения ресурсов ЭВМ, подготовки и отладки программ.

Структуру ОС рассмотрим на примере ОС Windows’98, как одной из широко используемых пользователями персональных ЭВМ.

Архитектуру ОС Windows’98 образуют 3 уровня, приведенных на Рис.27.

Центральный уровень представляет собой набор программ, которые управляют базовыми операциями Windows. Центральные файлы определяют, что делать с каждым из миллионов событий, которые Windows приходится обрабатывать в течение дня. Центральный уровень состоит из трех компонентов: ядра, менеджера событий и интерфейса графического устройства (GDI).

Ядро представляет собой часть ОС, которое управляет всеми периферийными устройствами, подсоединенными к ЦП. Программно ядро поддерживают управляющие и системные обрабатывающие программы.

Управляющие программы ОС реализуют функции:

1) управление начальной загрузкой, тестирование и диагностика периферийного оборудования;

2) управление всем ходом вычислительного процесса;

3) первоначальная загрузка данных и программ в ОЗУ;

4) управление данными, осуществляющее передачу данных между ОЗУ и HDD;

5) управление заданиями, позволяющее ЭВМ выполнять одновременно ряд заданий с минимальным вмешательством пользователя (многозадачный режим).

6) управление восстановлением системы в случае ее сбоя.

7) управление связью данного компьютера между другими компьютерами, подсоединенных к нему через линии связи.

Данная архитектура ОС также лежит в основе более современных ОС, используемых в настоящее время Windows’2000 и Windows NT, а также Unix и PS/2.

Системные обрабатывающие программы включают в себя:

1) Трансляторы с основных алгоритмических языков (Assembler, Basic, Pascal, C), которые переводят текст программы в машинные коды (объектные модули).

2) Сервисные программы, которые осуществляют объединение отдельно транслируемых программ в одну или несколько исполняемых программ (загрузочные модули), отладку программ и т.д.

Менеджером событий является программа, которая управляет фактически всеми событиями, генерируемыми пользователями. При нажатии на какую-либо клавишу этот файл определяет, какому открытому приложению предназначается это нажатие.

Интерфейс графического устройства (GDI) – это программа, отвечающая за прорисовку самых примитивных частей окон, пиктограмм и других графических объектов, появляющихся на экране.

За аппаратно-независимый подход отвечает группа программ, которые позволяют управлять устройствами, подсоединенными к компьютеру, непосредственно Windows, а не отдельными приложениями. Аппаратная независимость удобна тем, что все приложения будут использовать одни и те же драйверы и не нужно для каждого приложения устанавливать свой драйвер.

Для обеспечения работы с удаленными пользователями (обработки информации, поступающей по каналам связи) используется ПО телеобработки (телекоммуникационный метод доступа).

Системы программирования представляют собой совокупность средств разработки программ, языков программирования, трансляторов, обеспечивающих автоматизацию составления и отладки комплексов программ. В настоящее время все системы программирования строятся на следующих языках программирования:

- Assembler. Является языком низкоуровневого программирования, т.е. программирование ведется не с объектами и операторами, а с битами и байтами. В настоящее время этот язык программирования (Borland Turbo Assembler) в основном используется программистами, которые занимаются написанием драйверов.

- Basic. В “чистом” виде данный язык программирования применяется в ОС MS DOS под названием Quick Basic. В офисных системах типа Microsoft Word и Microsoft Excel этот язык используется для написания различных макросов (встроенных в офисные системы подпрограммы для выполнения каких-либо дополнительных функций) и носит название Visual Basic.

- Fortran. Как показывает история развития языков программирования, наиболее живучим из них является Fortran [39]. В настоящее время, когда существует множество языков программирования, Fortran всегда отдается предпочтение в научно-технических и инженерных приложениях. В этих областях у Fortran нет серьезных конкурентов. Это обусловлено тем, что Fortran изначально был создан для научных и численных расчетов и все его последующее развитие ориентировано, прежде всего, на подобные приложения [40]. Одна из современных версий языка – Microsoft Fortran Power Station V.4.0 на базе языка Fortran 90 позволяет создавать 32-разрядные приложения для Windows’95 и Windows NT. Фирма Microsoft наделила этот язык средствами, позволяющими создавать многооконные графические приложения, диалоговые окна, DLL – библиотеки, приложения, совместимые с другими платформами и языками программирования.

- Pascal. Является основным языком программирования, разработанного фирмами Microsoft (Turbo Pascal) и Borland (Borland Pascal). На их основе создана среда визуального программирования Borland Delphi, получившая широкое распространение среди пользователей – программистов.

- C (Си). Данный язык программирования является столь же распространенным среди пользователей – программистов, как и Pascal. На его основе были созданы две среды визуального программирования: Microsoft Visual C++ (фирма Microsoft) и Builder C++ (фирма Borland).

- Java. Является перспективным языком для Internet – приложений, на основе которого разрабатываются современные визуальные среды программирования (фирма Microsoft).

Системы программирования используются также как средства разработки многих систем управления базами данных. Наиболее известными среди них являются следующие СУБД: FoxPro; Microsoft Access; Informix; Oracle; Paradox; dBase. Все эти СУБД содержат в себе (встроенные) специальные программные средства для доступа к базам данных. Существует также специальный язык создания запросов к базам данных – SQL, который является встроенным языком управления базами данных для систем Delphi и Builder.

Офисные системы предназначены для ведения различной документации по имеющемуся программному обеспечению. По своему функциональному назначению офисные системы классифицируются как:

- текстовые редакторы, предназначенные для создания текстовых документов, различных отчетов и других организационных документов (Блокнот, WordPad, Microsoft Word);

- электронные таблицы (Microsoft Excel), предназначенные для обработки табличной (электронной) информации (разнообразные математические, статистические, финансовые и другие расчеты, создание диаграмм).

- программное обеспечение для создания расписаний и презентаций (Microsoft Power Point).

Среди графических пакетов особое место занимают программы для автоматизации процессов проектирования или CAD системы. В настоящее время среди разработчиков САПР направление по разработке и развитию этих систем получило широкое распространение. Отметим трудности в развитии CAD систем [31]:

- сильная зависимость от наличия самой мощной и разнообразной компьютерной техники, программного обеспечения, правовой организации деятельности крупных коллективов, различных специалистов и их обученности;

- многие методы моделирования и анализа, ставшие сейчас общим местом, в свое время потребовали выполнения большого объема научных исследований, которые активно проводились во всем мире;

- необходимы были серьезные изменения в системе образования;

- ориентация первых пакетов САПР на весьма ограниченный круг профессионалов. Эти пакеты обладали низкой точностью рисования и дизайна;

- высокая стоимость CAD систем при низкой стоимости “железа”;

- появление на рынке легких систем и появление программ рисования с новыми средствами, характерными для САПР.

- появление трех классов CAD систем, функционирующих на различных по стоимости компьютерах (дорогостоящие, средней стоимости и относительно низкой стоимости).

- появление Java – подобных технологий (фирма Bentley), позволяющей работать с моделями объектов реального мира, содержащими и данные, и программы работы (правила обращения) с ними, независимые от вычислительной платформы и операционной среды. Такие модели, называемые активными, могут свободно передаваться в сетях Internet и Intranet.

Все это привело к созданию общих требований к современным графическим пакетам САПР, которые должны иметь в своем составе [36]:

- ядро системы – базовый пакет, имеющий удобный пользовательский интерфейс, обеспечивающий связь с внешними программами и реализующий высокую степень автоматизации текущего проектирования. Модули базового пакета должны поддерживать стандартные графические функции двумерного проектирования, содержать средства объемного поверхностного моделирования, драйверы для графических видеоадаптеров, графопостроителей и принтеров, конвертеры для обмена данными с другими САПР, а также разнообразные утилиты.

- редактор чертежей, позволяющий создавать машиностроительные чертежи с использованием как оригинальных конструктивных решений, так и баз данных унифицированных элементов. Он должен обеспечивать весь набор операций, обычных для современных САПР, обладать широким выбором функций для разметки чертежей, а также развитый аппарат построения графических примитивов.

- программы для моделирования движения механизмов.

- использование баз данных стандартизованных элементов.

- средства для электронного документооборота.

- средства для информационной поддержки проектирования – возможность включать в систему любую нормативно-техническую документацию.