Автоматизация процесса проектирования на основе методов оптимизации

Процессы проектирования

Процессы проектирования являются наиболее сложно поддающейся областью для автоматизации, потому что это трудоёмкий и многоэтапный процесс, в котором принимают участие много специалистов, целый институты и научно-производственные объединения. В качестве объекта проектирования могут выступать различные сложные технические системы (ракетный комплекс, самолёт, реактивный двигатель), народнохозяйственные и экономические системы (системы обустройства крупных нефтяных или газовых месторождений, использование бассейнов рек и т. п.).

При проектировании объекта, зачастую многократно повторяются различные проектные процедуры. Это происходит потому, что проектирование это закономерно развивающийся процесс. Статистические наблюдения некоторых станкостроительных и общемашиностроительных предприятий показывает, что сам процесс проектирования изделия занимает очень значительную часть времени, тогда как творческие элементы в работе — только 15%.

На каждом этапе жизненного цикла проектируемого изделия, его участники стараются добиться поставленных целей с максимальной эффективностью. В условиях рыночной экономики, для достижения успеха при высокой конкуренции, необходимо обеспечивать выполнение технического задания при заданной степени надежности изделия и минимизации материальных и временных затрат. А это положительно сказывается на себестоимости продукции. В понятие эффективности также входит снижение затрат на дальнейшую эксплуатацию изделий. Также немаловажно удобство освоения изделия. Например, для сложной техники, в таких отраслях как авиа и ракетостроения, удобство эксплуатации имеет очень большое значение.

В последние годы проблема эффективности стоит наиболее остро, причем такое явление характерно для всех индустриально развитых стран, создающие сложные образцы техники и реализующие проекты сложнейших народнохозяйственных комплексов. Автоматизация проектирования постепенно стала одной из одной из наиболее перспективных областей использования вычислительной техники.

Объектом автоматизации проектирования являются действия человека, которые он выполняет в процессе проектирования. А то, что проектируют, называют объектом проектирования. Следовательно, объекты проектирования не являются объектами автоматизации проектирования.

Основанием для автоматизированного проектирования являются:

• · уменьшение сроков проектирования и внедрения
• · сокращение количества ошибок при проектировании
• · обеспечение возможности изменения проектных решений
• · сокращение сроков тестирования

Средствами вычислительной техники можно рационализировать процессы проектирования путем автоматизации рутинных этапов. Это освободит конструктора для творческой деятельности и повысит производительность процесса проектирования. Весь процесс можно поделить на этапы и операции, и затем представить их с помощью тех или иных математических методов, а также установить инструментальные средства для их автоматизации. После этого рассматриваются необходимые выделенные проектные операции и средства автоматизации, и находятся способы слияния их в единую систему, отвечающую поставленным целям.

Для автоматизации процесса проектирования нужно совершенно точно знать, что он собой представляет и каким образом выполняется разработчиками. Опыт показывает, что изучение процессов проектирования и их формализация даются специалистам очень непросто, и поэтому автоматизация проектирования всегда совершается по этапам, и охватывает при этом последовательно все новые проектные операции.

В целом для всех этапов проектирования изделий и технологии их изготовления можно выделить следующие основные виды типовых операций обработки информации:

• · поиск и выбор из всевозможных источников нужной информации;
• · анализ выбранной информации;
• · выполнение расчетов;
• · принятие проектных решений;
• · оформление проектных решений в виде, удобном для дальнейшего использования (на последующих стадиях проектирования, при изготовлении или эксплуатации изделия).

На рисунке 2 представлена схема процессов проектирования.

Весьма важно формализовать объект проектирования. От того, насколько полное формальное описание объекта зависит выбор метода решения задачи, а, следовательно, это позволяет определить, возможно ли применить средства вычислительной техники при проектировании. Если задача не формализована, то проектировщик вынужден пользоваться каким либо эвристическим методом решения задачи. Однако когда задача полностью формализована (имеется полная математическая модель объекта проектирования), её можно решать с помощью вычислительной техники автоматически. Если же задача частично формализована (когда не все связи системной модели удалось выразить в виде аналитических и логических зависимостей), то разрабатывается так называемый диалоговый метод решения, который включает вариант математической модели объекта и сценарий взаимодействия конструктора и ЭВМ.

Рисунок 2. Схема процессов проектирования.

Давайте теперь рассмотрим основные этапы проектирования с позиции технологии обработки информации. Обычно проектирование многосложных технических систем делят на несколько этапов или стадий разработки:

• · техническое задание на проектируемый объект;
• · научно-исследовательская работа;
• · эскизный проект;
• · технический проект;
• · рабочий проект;
• · технология изготовления и испытания спроектированного объекта (опытного образца или партии), внесения коррекции (при необходимости).

Принятые ранее решения могут быть ошибочными или неоптимальными на любом этапе проектирования, и, следовательно, может возникнуть необходимость их пересмотра. Такие возвраты довольно типичны для проектирования, это служит причиной его итерационного характера. В некоторых случаях даже может быть выявлена потребность в корректировки технического задания. В подобных случаях процессы внутреннего и внешнего проектирования чередуются, что в особой степени характерно для научно-исследовательской работы.

Программа, которая будет разработана в ходе настоящего дипломного проекта, затрагивает проектирование на этапе научно-исследовательской работы. Научно-исследовательская работа (НИР) это своего рода предварительное проектирование. Этот этап один из самых ответственных. Для решения его задач необходимо использование ЭВМ. Это так называемые автоматизированные системы научных исследований (АСНИ).

Стадию НИР часто можно разделить на следующие стадии: предпроектные исследования, техническое задание и техническое предложение. На этих этапах шаг за шагом исследуются потребности в получении новых изделий с заданным целевым назначением. Также исследуются конструктивные, информационные, физические и технологические правила построения поделки и допустимость исполнения этих принципов, предсказываются возможные значения параметров и характеристик объекта проектирования. Также уточняются связи «вход-выход», осуществляется определение информативности параметров, проводится активный эксперимент, разрабатываются математические модели и алгоритмы управления технологическим процессом.

Результатом НИР является сформулированное техническое задание на разработку нового объекта.

На этапе НИР необходимо решение следующих задач:

• 1) Формулирование критериев качества и управления.
• 2) Управление научным экспериментом.
• 3) Проведение пассивного или (и) активного эксперимента с обработкой их результатов.
• 4) Разработка математических моделей и их идентификация по экспериментальным данным.
• 5) Отработка технологических процессов изготовления объектов РЭС с целью поиска норм на параметры, обеспечивающих оптимальные выходные показатели качества.
• 6) Формирование обобщенного критерия качества, включающего в себя все частные показатели качества. Обобщенный критерий принимается далее за целевую функцию при решении задачи оптимизации.
• 7) Решение задачи оптимизации. Производится варьирование входных и управляющих параметров технологического процесса в рамках установленных норм (допусков) с целью получения оптимального критерия качества.
• 8) Поиск принципиальной возможности построения системы.
• 9) Разработка новых технических средств, в том числе средств контроля и измерений.

Автоматизация указанных работ достигается за счет применения оптимизационных математических методов. При наличии разработанной модели задача оптимизации сводится к прогнозированию хода процесса при различных комбинациях воздействий и выбору оптимального варианта. [2].