Проблемы и принципы создания системы автоматизированного проектирования

Подсистема, предназначенная для компактного размещения разно габаритного технологического оборудования литейного цеха на участках заданного размера, должна позволять расположить оборудование в соответствии с технологическим процессом, уменьшать длину связей, минимизировать расстояние между единицами оборудования и занимаемую ими площадь, обеспечивать прямолинейные проезды и проходы. Для функционирования такой подсистемы предполагается наличие следующих исходных данных: матрица смежности; таблица размеров каждой единицы оборудования; сведения о размерах и расположении полезных площадей цеха и запрещенных зон, о количестве и допустимых размерах участков размещения. Этот перечень может быть дополнен другой информацией, необходимой для определения оптимального размещения в соответствии с другими критериями и ограничениями, а также изменен, например, вместо матрицы смежности можно использовать списки или иную информацию, определяющую очередность размещения [21].

1.6 Цели и задачи проекта

В результате анализа литературных источников определены три возможных направления внедрения САПР ЛЦ: создание новой системы; применение существующие в литейном производстве; адаптация САПР, действующих в смежных областях.

Готовых и полных САПР литейных цехов вообще и их отделений в частности не существует, а объединение отдельных фрагментов невозможно без создания единой концепции функционирования с учетом особенностей объекта проектирования.

Целью настоящей работы является разработка автономного модуля САПР для проектирования или реконструкции плавильных отделений, который может быть использован в единой системе проектирования литейных цехов. Для достижения данной цели необходимо решить следующий комплекс задач:

создать алгоритм и программу выбора и расчета оборудования;

разработать структуру база данных и создать ее;

разработать алгоритм и программу размещения выбранного оборудования на площади плавильного отделения.

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-СТРУКТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР

Автоматизированные системы проектирования смежных объектов

В настоящее время наибольшее развитие и применение системы автоматизированного проектирования нашли в радиоэлектронике, электротехнике, машиностроении и строительстве. Это объясняется как высокой сложностью проектируемых объектов и, следовательно острой необходимостью автоматизации проектирования, так и наличием соответствующих инженерных кадров.

Примерами крупных САПР радиоэлектронной аппаратуры и изделий электронной техники являются РАПИРА, ПРАМ, САПР БИС, КОМПАС- 92, CADSYM, AUTODOARD и др.

Для решения поставленных в этом исследовании задач рассмотрим в начале комплексы, содержание которых может быть без существенных изменений распространено на литейное производство. Автоматизированные системы комплексного проектирования предприятий (АСКП) [22,23], состоящие из пакета связанных универсальных подсистем, представляют наибольший интерес.

Так в технико-экономической подсистеме решаются задачи расчета и анализа эффективности других подсистем, технико-экономических показателей предприятия на основных стадиях его проектирования. Технологическая система проекта включает в себя обоснование и расчет номенклатуры и объемов выпускаемой продукции; выбор технологических процессов и оборудования; расчеты площадей; проектирование связей между подразделениями предприятия; создание норм нормативов [24,25]. В подсистеме механизации и транспорта разрабатываются планы и размеры по системам механизированного транспорта и местам пересечения трасс в увязке со строительной частью задания и технологическим оборудованием, эскизные проекты на нестандартное транспортное оборудование, производятся специальные расчеты фундаментов, каналов, тоннелей и т.д.

Оптимизационные расчеты проводятся при проектировании универсальных зданий, которые без реконструкции могут быть легко приспособлены к различным техническим новшествам [22,26].

Анализ задач, которые решаются в каждой из подсистем АСКП [22] показал, что они идентичны перечню задач, используемых в процессе безмашинного проектирования. В настоящее время АСКП только разрабатываются и ЭВМ применяется лишь при решении некоторых задач частного характера. Это можно объяснить большим количеством задач, отсутствием единого математического подхода к их решению, большим разнообразием используемых критериев и ограничений.

Таким образом, возможность применить для проектирования литейных цехов или их отделений готовых комплексных САПР из смежных областей отсутствует.

Однако последние разработки свидетельствуют о все увеличивающейся переориентации на создание универсальных методик и решения задач, выходящих за пределы отдельных отраслей производства. Цель такой переориентации - пригодность отдаленных систем для различных отраслей [27]. При современном уровне техники очевидно, что развитие применения САПР должно идти по пути адаптирования наиболее подходящих для каждого конкретного случая уже имеющихся систем. Универсализация базовых систем обуславливает снижение расходов пользователя, гарантирует высокого экономического эффекта.

Многие из рассмотренных выше отечественных и зарубежных САПР обладают достаточной универсальностью и при соответствующей адаптации их отдельных подсистем могут быть использованы для проектирования плавильных отделений [28].

В качестве примера рассмотрим пакет графических программ (ПГП) «ГРИФ», который может быть использован в САПР плавильных отделений для обработки, семантического контроля графической информации, формирования и вывода проектной документации.

ПГП «ГРИФ» разработан для выполнения широкого круга задач проектирования печатных плат, электронных схем и т.п., и работы с двумерными графическими объектами. Программы пакета дают возможность графического редактирования и форматирования базы данных «ГРИФ», что позволяет использовать комплекс АРМ как интеллектуальный диалоговый терминал для реализации различных видов автоматизации проектно-конструкторских работ.

Графические предпосылки адаптации иллюстрирует рисунок 1.

Рисунок 1.

2 2

1

3 1

3 4

4

а) б)

Видно, что, например, конструктив «транзистор» (а) с обозначением корпуса 1 и выводов эмиттера 2, коллектора 3 и базы 4 графически ничем не отличается от конструктива «кокильная машина» (б) с обозначением собственно машина 1, направление подачи металла 2, масла под давлением 3 и отвода готовых отливок 4. То, что машина имеет другую форму и значительно больше транзистора и выполняет совсем другие функции в данном случае значения не имеет, так как масштаб чертежа может быть выбран произвольно.

В качестве базового языка проектирования используется язык графической информации (ЯГТИ).

ПГП «ГРИФ» разработан как набор программных модулей, расширяющих функциональные возможности операционной системы АРМ в направлении работы с графикой. Но лучше всего применять более современные технологии CD-RUM, CD-DW и т.п., и применять более современные языки и системы дающие более широкие возможности работы с графической информацией.

ПГП позволяет решать целый комплекс задач машинного проектирования, состоящий из восьми ниже перечисленных:

1.Ввод графической информации в систему в виде готовых листов ЯГТИ, а также пополнение библиотеки стандартных графических элементов.

2.Синтаксический контроль информации с выводом сообщений на экран, а также контроль синтаксиса ЯГТИ.

3.Калибровку бумаги, на которой выполнено вводимое изображение. Калибровка позволяет произвести программную коррекцию усадки или растяжку бумаги, а также осуществлять выравнивание исходного эскиза при его произвольной не ортогональной установке на поле кодировщика.

4.Редактирование листов ЯГТИ, имеющих в своем составе абзацы (линии, графический текст, дуги и окружности, маркированные точки).

5.Расстановку графических элементов на экране дисплея в заданном дискрете, используя запасенные в библиотеке АРМ описания групповых элементов.

6.Вывод чертежей проекта плавильного отделения (или любого другого) на графопостроитель совместно с бланками различного формата в соответствии с ЕСКД.

7.Трансляция с ЯГТИ и вывод на различные устройства АРМ текстовой и графической информации.

8.Формирование описания библиотечных графических элементов с помощью графического дисплея, кодировщика графической информации, текстового дисплея или специальной программы.

Таким образом, выше указанные возможности этого пакета делают целесообразным его использование для проектирования в литейном производстве вообще и для проектирования плавильных отделений в частности.

Основные принципы создания, структура и состав задач САПР плавильных отделений ЛЦ

Вообще, проектирование литейных цехов можно представить как иерархическую систему проектных процедур и разбить на четыре условно независимых подсистемы верхнего уровня:

выбор и расчет элементов (основного и вспомогательного оборудования, складов шихты и футеровочных материалов и т.п.);

размещение оборудования;

организация связей между элементами ( транспорт, силовые сети, информационные сети и т.п.);

изготовление проектной документации.

В процессе автоматизированного проектирования отделения эти задачи могут решаться, как автономно, так и все в комплексе.

На листе 1 представлена структура САПР плавильных отделений ЛЦ с точки зрения решаемых задач, имеющая иерархическую организацию системы проектирования. Иерархическая организация такой системы предполагает наличие у каждой подсистемы верхнего (первого) уровня элементов из систем второго уровня, у последних - элементов из систем третьего уровня и т.д. до элементов n-ого уровня, уже не являющихся системами [29].

Автоматизация проектирования заключается в экономичном применении вычислительных машин на всех этапах и элементах описанной иерархической структуры.

В соответствии с определением [30] САПР представляет собой организационно-техническую систему, состоящую из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации и выполняющего автоматизированное проектирование.

Автоматизированное проектирование плавильных отделений литейных цехов, как любого другого может быть представлена как следующая цепочка:

Рисунок 2.

Проектировщик

задание на проект САПР результат проектирования

В САПР могут быть выделены следующие компоненты обеспечения: методическое, организационное, техническое, информационное, лингвистическое, математическое, программное.

Разрабатываемая система проектирования плавильных отделений состоит из тех же компонентов.

На листе 2 представлена структурная схема САПР плавильных отделений ЛЦ, на которой более подробно выделены программное и техническое обеспечение, составляющие в совокупности комплекс средств автоматизации (КСА).

Назначение этих компонентов САПР традиционное и соответствует назначению подобных компонентов любых других САПР.

Методическое и организационное обеспечение САПР плавильных отделений ЛЦ - комплекс документов, содержащих описание САПР и правил ее использования для автоматизированного проектирования.

Техническое обеспечение - это комплекс всех технических средств, используемых для автоматизированного проектирования.

Информационное обеспечение - совокупность всей накопленной информации, сохраняемой в системе в определенном порядке с целью непрерывного накопления, быстрого поиска и использования для автоматизированного проектирования.

Лингвистическое обеспечение САПР базируется на языке PASCAL или FORTRAN. Возможностей этих языков вполне хватает для решения поставленных задач. Вывод графической информации осуществляется посредством ПГП «ГРИФ».

Математическое обеспечение - это совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, необходимых для решения задач расчета, выбора и размещения оборудования, и построения внутренних коммуникаций.

Программно-лингвистическое обеспечение САПР плавильных отделений ЛЦ

Программное обеспечение (ПО) представляет собой совокупность программ на машинных носителях, текстов программ, инструкций по их использованию, эксплуатационной документации.

Классификация ПО представлена на рисунке 3.

Рисунок 3.

Программное обеспечение

Общее прикладное

Общесистемное базовое

Общесистемное ПО представляет собой операционную систему используемую ЭВМ. В разрабатываемой САПР плавильных отделений литейных цехов, которая реализована на ЭВМ типа IBM PC 386, использовалась стандартная операционная система MS-DOS. Эта операционная система не менялась и поэтому останавливаться на особенностях ее функционирования нет необходимости.

Базовое ПО включает в себя обслуживающие подсистемы САПР: система управления базами данных (СУБД), пакеты программ машинной графики.

СУБД, входящая в состав разработанного банка данных (БнД), предназначена для организации хранения данных и управления процессами информационного обмена между пользователем и базой данных, между отдельными подсистемами. Исходные данные, промежуточные результаты проектирования, сведения справочно-нормативного характера формируются как записи определенной структуры и хранятся на магнитных дисках. Доступ к файлам, содержащим необходимую информацию возможен из любой программы системы. Обращение к СУБД не нарушает процесс проектирования, а лишь приостанавливает его на время поиска и обработки требуемой информации. Система управления базами данных реализована на языке PASCAL. Подробное описание разрабатываемой СУБД приведено в пункте 3.1 настоящей работы.

Для обработки графической информации, вывода графической документации в САПР плавильных отделений литейных цехов использован пакет прикладных программ (ПГП) «ГРИФ». Этот ПГП был разработан в рамках САПР РАПИРА для диалогового графического решения задач проектирования печатных плат, электронных схем, изготовления конструкторской документации. Он позволяет выполнять ввод, редактирование и вывод двухмерной графической информации. В состав пакета входят программы построения изображений на экране дисплея, формирования стандартных графических элементов, вывода информации на графопостроитель, редактирования информации, перевода информации с внутреннего языка на языки устройств ввода-вывода и обратно. Этот паке без кардинальной переработки может быть адаптирован для решения задач, возникающих при проектировании плавильных отделений. Для этого создана специальная библиотека стандартных графических элементов и разработаны программы для автоматической подготовки и вывода промежуточной и конечной графической информации.

Важной составной частью программного обеспечения является прикладное ПО, которое состоит из программ, реализующих алгоритмы решения проектных задач. Для функционирования САПР плавильного отделения разработаны прикладные программы, решающие следующие задачи:

расчет баланса металла;

выбор плавильных агрегатов;

расчет количества оборудования;

размещение разно габаритного оборудования.

Все прикладные программы реализованы на языке ПАСКАЛЬ.

Принцип организации прикладного ПО - модульный. Модули разрабатывались как самостоятельные единицы ПО. Они могут использоваться как самостоятельно, так и в комплексе, решая соответственно, отдельно, в определенном наборе частные задачи или общую задачу проектирования. Все программы ПО объединены в систему с перекрытиями.

Порядок проектирования и состав решаемых задач определяется и контролируется специальной управляющей программой. Все подсистемы взаимодействуют с банком данных САПР и по мере надобности получают из него необходимую информацию.

Техническое обеспечение САПР плавильных отделений

Для обеспечения процесса автоматизированного проектирования используются технические средства, входящие в комплексы автоматизированных рабочих мест (АРМ).

Автоматизированное рабочее место проектировщика представляет собой комплекс технических средств, обеспечивающих ему оперативный и легкий доступ к ЭВМ и позволяющих обмениваться с ЭВМ информацией в текстовой и графической форме, помогающих реализации итерационных циклов проектирования в рамках диалоговых режимов работы.

При наличии соответствующего прикладного программного обеспечения АРМ предоставляет проектировщику возможность в автоматическом или интерактивном режиме решить задачу по проектированию объектов, проанализировать полученные результаты и, при необходимости, отредактировать, скорректировать их, а затем вывести необходимую текстовую и графическую документацию. Важным является также то, что нужное количество раз выводиться комплект документации, а в запоминающих устройствах АРМ сохраняется весь объем информации, которая может быть использована и в следующем цикле проектирования.

Пользователь АРМ вводит и редактирует текстовые и графические материалы. Полученные результаты проектирования в виде чертежей предоставляется рассматривать как в увеличенном, так и уменьшенном масштабе. Пользователь АРМ может производить компоновку чертежей в интерактивном режиме с визуализацией на дисплее, а также корректировать текстовые и графические результаты проектирования. Обеспечивается возможность создания архивов разработок на магнитных носителях и обращение к этим описаниям по имени, что очень ускоряет поиск нужных материалов.

Ниже приведен перечень устройств которыми должно быть укомплектовано стандартное автоматизированное рабочее место проектировщика:

1.Управляющий вычислительный комплекс типа IBM PC на базе процессора p-100 стандартной конфигурации с объемом оперативной памяти 16 Мбайт; используется в системе управления технологическими процессами и автоматизации научного эксперимента. Применим в информационно- измерительных системах. Используется как автономно, так и в многомашинном комплексе.

2.Цветной монитор, 14 дюймов по диагонали с разрешением экрана 1280х1024 pic, емкость буферной памяти 0.28 Mb; предназначен для визуального контроля вводимой - выводимой информации.

3.Алфавитно-цифровое устройство параллельной печати (принтер матричный) предназначено для вывода на бумажный носитель алфавитно-цифровой и графической информации; формат бумажного носителя А3/А4.

4.Устройство ввода алфавитно-цифровой информации (клавиатура).

5.Устройство ввода графической информации (сканер) предназначен для оперативного ввода графической информации и пополнения библиотеки типовых изображений. Формат А0/А3, разрешающая способность от 400dpi.

6.Накопители информации: накопитель со сменными дисками емкость 630 Mb; винчестер с емкостью порядка 3500Mb, среднее время доступа 10 мс; CD-ROM 16Mb, 8х.

7.Графопостроитель (плоттер) - устройство предназначенное для получения типовых чертежей, а также другой графической информации, поступающей от ЭВМ, в прямоугольной системе координат. Формат А1/А0; погрешность выдачи координат .

2.5 Методы и алгоритмы выбора и размещения объектов и проектирование конфигураций соединений

Важное значение при проектировании цеха или отделения имеет решение задачи выбора оборудования.

Рациональная структура оборудования обеспечивает реализацию функций системы с минимальными затратами трудовых, материальных и денежных ресурсов [31,32].

Выбор оборудования осуществляется на основе номенклатуры и объема выпускаемой продукции, прогноза дальнейшего развития техники, уровня серийности производства с учетом обеспечения требований по взрыво- и пожаробезопасности, исходя из условий минимальности приведенных затрат на выполнение технологического процесса и периода окупаемости оборудования [33,34,35].

Процесс выбора оборудования осуществляется в нижеследующей последовательности [22]. Рассматриваются операции типового технологического процесса и целесообразность замены оборудования на этих операциях более прогрессивным. По характеру работы на каждой операции определяется тип оборудования и его параметры, особые условия для работы оборудования. Из группы однотипного оборудования, предназначенного для выполнения на данной операции, производится выбор прогрессивной модели. Прогнозирование эффективности использования оборудования обеспечивается рассмотрением большого числа натуральных и вероятностных технико-экономических показателей, таких как технологическая себестоимость, прогнозируемое моральное старение, соответствие современному уровню, использованию прогрессивных средств воздействия на обрабатываемое изделие, степень автоматизации, энергомические характеристики и др.

Существует множество подходов, методов выбора оборудования [22,27,36,37]. В [36] описаны два пути решения этой задачи: классификация признаков и описание признаков.

При классификационном методе вначале необходимо получить данные из описания детали и массива данных по оборудованию и лишь затем приступить к сравнению. В процессе кодировки при разделении по классам [37] происходит частичная потеря, что может привести к плохому конечному результату.

Описательный метод позволяет по точным данным определить оптимальный вид оборудования. Однако он требует больших затрат времени и переработку больших объемов информации.

В процессе выбора оборудования перебор вариантов может быть реализован лишь при выборе из небольшого количества оборудования, поэтому на практике используется редко. Часто используются эвристические и комбинированные методы. В [22] приведен алгоритм выбора оборудования, основанный на комбинированном методе, который состоит в сочетании метода ненаправленного случайного поиска с методом локальной оптимизации. Для нахождения глобального экстремума используется случайный поиск. На каждом этапе проводится локальная оптимизация для определения локальных минимумов, значения которых запоминаются и из них глобальный минимум. В качестве целевой функции принята себестоимость изготовления единицы продукции. К недостатку алгоритма может быть отнесена его относительная сложность и необходимость достаточно больших затрат машинного времени.

Итерационный алгоритм выбора оборудования приведен в [38]. Здесь используется задача выпуклого программирования.

В алгоритме [39] предложено решение задачи путем перебора, выполняемого до тех пор, пока не будет получено первое решение, удовлетворяющее заданным исходным данным. С целью ускорения работы алгоритма и повышения качества его работы предложено упорядочивать информационные массивы. Недостатки этого алгоритма очевидны: большие затраты машинного времени и неоптимальный результат выбора.

Для выбора оптимального комплекта измерительных приборов был предложен алгоритм, основанный на методе ветвей и границ [40]. Здесь определяется комплект приборов имеющий минимальную стоимость и суммарную вероятность ошибочного контроля не более заданной величены. Алгоритм позволяет получить хороший результат, но его использование ограничено, т.к. повышенная сложность определяет большие затраты машинного времени.

При разработке автоматизированных систем с экономически эффективными параметрами [41] предложен алгоритм основанный на динамическом программировании. Он позволяет минимизировать величину суммарных и приведенных затрат. Однако широкого и практического применения не находит в связи с большими затратами машинного времени.

Как указывает автор при выборе оборудования используется теория принятия решений. Согласно этой теории для процесса принятия решений характерны пять конкретных ситуаций [42]:

Существует некоторое множество альтернативных решений, действий, которые разработчик может выбирать при создании систем. К ним относятся, например, различные взаимоисключающие концепции, различные варианты выбранного оборудования и т.д.

Возможно некоторое множество условий, которые после разработки объекта не находятся под непосредственным контролем разработчика, принимающего решение о выборе того или иного альтернативного решения. Причиной этого может быть отсутствие всех необходимых исходных данных.

Может быть получено некоторое множество результатов, которые зависят от выбранного альтернативного решения и определенных условий, в которых окажется проектируемая система в дальнейшем. Другими словами результат зависит от комбинаций альтернативных решений и условий.

Имеется возможность оценки вероятности каждого условия, в котором может оказаться проектируемая система.

Сформулировано правило принятия решения. Все решения могут приниматься в условиях определенности, в условиях риска и в условиях неопределенности. Если решение принимается в условиях определенности, то каждое действие имеет известный результат; в условиях риска и неопределенности каждое решение может иметь более одного результата в зависимости от условий, но в первом случае каждое условие имеет известную вероятность, а во втором - неизвестную.

Существует целый ряд правил принятия решений. К основным из них можно отнести следующие: поиск максимума (минимума) функционала, где в качестве правила принятия решения выбирается максимизация ожидаемого результата. Это можно записать так max E[r i]. Правило минимакса, взятое из теории игр и основанное на определении наибольших потерь для каждого действия, а затем выборе действия, приводящего к минимизации максимальных потерь. Математически это записывается как .

Правило максимального выбора (или правило оптимиста) записывается так .

Правило Гурвица базируется на критерии, представляющем комбинацию минимального и максимального критерия и записывается следующим образом: .

Правило Лапласа находится между не вероятностными и вероятностными правилами выбора. Это правило основано на следующем принципе: если нет доказательств, что одно условие более вероятно, чем другое, то условия оцениваются одинаковой вероятностью. В этом случае действие выбирается в соответствии с выражением .

В дальнейшем при разработке алгоритма выбора оборудования в моей работе использовано правило минимакса.

Важное значение при автоматизированном проектировании цехов имеет решение задачи размещения оборудования [43,44].

Всю совокупность алгоритмов размещения можно разделить на следующие группы [45]:

конструктивные алгоритмы начального размещения;

итерационные алгоритмы размещения;

алгоритмы решения математических задач, являющихся моделями задачи размещения;

непрерывно-дискретные методы размещения.

Первая и вторая группы включают приближенные алгоритмы; причем характерной особенностью конструктивных алгоритмов является то, что они создают размещение, тогда как итерационные предполагают задание начального размещения элементов.

К конструктивным алгоритмам размещения относят алгоритмы последовательного размещения по связности, матричные алгоритмы, метод обратного размещения и метод разбиения.

В основу большинства последовательных алгоритмов размещения положен эвристический принцип оптимизации целевой функции, сводящейся к выбору на данном шаге локально оптимальной позиции для одного из элементов при неизменном положении ранее размещенных элементов. Алгоритм этого вида отличаются друг от друга используемыми критериями, тактикой выбора очередного элемента и позиции [46].

Выбор очередного элемента для размещения основан на различных вариантах вычисляемой меры связности не размещенных элементов с другими элементами. В алгоритме «по парных связей» Куртзберга [47] выбор элемента осуществляется по наибольшему числу связей с уже размещенными элементами.

В.И. Важенин [48] использовал другое правило выбора очередного элемента, основанное на оценке числа связей каждого из не размещенных элементов как с размещенными , так и не размещенными элементами. Аналогичные правила выбора элемента в алгоритмах [49,50], однако определяется максимальный коэффициент относительной связности. Так как количество связей зависти от трассировки соединений и поэтому не может быть определено строго , в некоторых алгоритмах используются вероятностные оценки меры связности. В алгоритмах «группового развертывания» Куртзберга [46] оценивается ожидаемое число соединений каждого не размещенного элемента с группой размещенных при условии, что дерево соединений является цепью. Аналогичный подход высказан авторами работ [49,50]. Могут использоваться и более тонкие правила выбора очередного элемента, учитывающие для каждого элемента вероятности связей не только с размещенными, но и с не размещенными элементами [51]. Однако следует отметить, что достоинством последовательного алгоритма является небольшое количество затраченного машинного времени. Усложнение же правила выбора существенно ослабляет это достоинство, а эффективность алгоритма возрастает незначительно, либо остается на прежнем уровне.

Таким образом, анализ различных алгоритмов размещения показал, что они не специализированны для размещения оборудования на производственных площадях и не учитывают многих специфических критериев и ограничений, используемых при решении задач размещения оборудования.

При решении задачи размещения необходимо использовать следующие критерии [11,43,52]: соответствие технологическому процессу; грузопоток; поток людей; компактность размещения; площадь занимаемую оборудованием. При этом необходимо учитывать следующие ограничения: совместимость объектов размещения; необходимость размещать некоторые объекты в определенные позиции; санитарные нормы; требования пожаро- и взрывобезопасности и т.д.

Кроме того размещение оборудования не должно носить хаотический характер. Имеется ряд ограничений, например, необходимость обеспечения прямолинейных проходов и проездов, удобства доступа к оборудованию, наличие запрещенных для размещения зон, положение дверных проемов.

Существующие алгоритмы не учитывают или учитывают лишь отдельные из этих критериев и ограничений.

В связи с этим возникла необходимость разработки оригинального алгоритма, предназначенного для компактного размещения разно габаритного оборудования, учитывающего указанные критерии и ограничения.

В настоящее время разработано большое количество алгоритмов трассировки соединений [45,52,53]. Методы, которые используются в алгоритмах, можно разделить на три группы [54]: геометрические, топологические, тополого-геометрические.

Каждая из групп методов в той или иной степени отдает предпочтение либо геометрическим, либо топологическим характерам трасс. В литературе [54,55] приведен анализ особенностей, присущих алгоритмам различных групп.

Алгоритмы, имеющие в своей основе геометрические методы трассировки, обладают следующими преимуществами: во-первых, они позволяют строить трассы в их конечном виде, результаты трассировки наглядны; во-вторых, их программная реализация достаточно проста.

Однако все известные алгоритмы этой группы не решают задач оптимизации всех трасс в совокупности, т.к. используют принцип последовательного, для каждой трассы, просмотра коммуникационного пространства при жесткой фиксации ранее построенных трасс. Таким образом, оптимизируется лишь одна трасса, а все остальные являются препятствием, часто необоснованным, для построения последующих соединений.

Алгоритмы, использующие топологические методы, получили быстрое развитие, имеют следующие достоинства: во-первых, позволяют получить хорошее приближенное решение задачи трассировки для всех трасс; во-вторых, позволяют регулировать равномерность распределения соединений по площади отделения (цеха).

К недостаткам следует отнести: во-первых, сложность, громоздкость, большие затраты времени и памяти; во-вторых трассы очень часто имеют очень сложную конфигурацию, что приводит к дополнительным операциям по упрощению форм трасс, их спрямлению.

Для тополого-геометрических методов трассировки характерен частичный отрыв характерен частичный отрыв геометрических характеристик в пользу топологических характеристик трасс. Они сочетают ряд достоинств и недостатков, присущих первым двум методам.

При рассмотрении алгоритмов трассировки внутренних коммуникаций, не смотря на ряд существенных отличий, будем учитывать и те алгоритмы трассировки которых используются для построения соединений в других областях техники.

Основой большинства разрабатываемых и эксплуатируемых алгоритмов трассировки является «алгоритм Ли». Он работает по волновому принципу и соединяет две точки кратчайшим путем, огибая имеющиеся препятствия. Поэтому алгоритму всегда находится кратчайший путь, если только он существует. Для сокращения времени счета, объема используемой памяти и повышения качества проектов разрабатываются различные модификации волнового алгоритма [56].

В работе [56] описан метод определения очередности проведения трасс в процессе трассировки, в котором выдвигается расплывчатое требование: «Взять ту трассу, которая меньше всего мешает остальным». В критерии используется кратчайшая длина трасс и число пересечений с другими трассами.

Общим недостатком волновых алгоритмов является пошаговая локальная оптимизация. Проводимые по таким алгоритмам трассы не учитывают или слабо учитывают потребности последующих, прокладываемых трасс.

Для устранения этого недостатка разрабатываются методики предварительного распределения трасс с последующей итерационной трассировкой [57]. В подобной работе для корректировки рисунка используются приемы сдвига ранее проложенных трасс, названные методом «скользкой горки».

В работе [52] разработан метод «гибкой трассировки». Пары точек соединяются кратчайшим путем, как и в классическом алгоритме Ли. В процессе прокладки трасс разрешается отодвигать в возможных случаях ранее проложенные трассы. В настоящее время в алгоритмах применяются приемы неавтоматизированного проектирования: смещение ранее проложенных трасс [52,58].

На основе идей алгоритма Ли построен алгоритм канальной трассировки [59]. Метод предполагает трассировку на двух слоях, существенно сокращается время счета и объем оперативной памяти.

В последнее время более широко начали разрабатываться и использоваться параллельные методы трассировки. При таком подходе сначала определяется возможность реализации проекта отделения на заданном типоразмере, после размещения на его территории элементов оборудования. В основе метода лежит построение квазиоптимального связывающего дерева на ортогональной сетке по описанному в работе [60] алгоритму.

Число пересечений трасс зависит от порядка их проведения. Порядок проведения с целью минимизации числа пересечений определяется теоремой Жордана: всякая простая замкнутая кривая С разделяет точки плоскости, не принадлежащие С, на две такие области по отношению к которым сама кривая С является общей границей [61].

Более сложной проблемой является разработка преемственных критериев компоновки, размещения и трассировки [62]. Авторы предлагают алгоритм совместного решения задач размещения оборудования и трассировки связей. Суть подхода заключается в размещении элементов с одновременным проведением трасс, последующим установлением связей между элементами. Разработаны и используются ряд алгоритмов, предназначенных для поиска такой конфигурации систем снабжения в процессе проектирования, чтобы затраты, связанные с прокладкой, были минимальными. В [63] решения задачи распределения электроприемников (ЭП) по источникам питания (ИП), обеспечивающий минимальную суммарную длину между ними. Суть алгоритма такова, что вокруг каждого ИП описывается окружность с начальным радиусом Rn. Каждый ЭП, попавший в зону ИП считается закрепленным за ним, если ИП допускает такое подключение. И так до тех пор пока, пока все ЭП не будут просмотрены или радиус не достигнет максимального значения Rm. Рассмотренный алгоритм не может гарантировать получение оптимального решения, т.к. не базируется на четкой математической формулировке задачи.

РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМ САПР ПЛАВИЛЬНЫХ ОТДЕЛЕНИЙ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ

Информационно-поисковая система (ИПС)

Для выработки проектных решений необходимо наличие специально подготовленной информации в прототипах проектируемых изделий и технологических процессах, об оборудовании, инструменте которые могут использоваться при изготовлении изделий; о правилах и нормах проектирования и документирования результатов проектирования.

Информационно-поисковая система (ИПС) имеет специфическую структуру необходимую для эффективного решения следующих задач:

Сбор данных; хранение; преобразование информации и выдача результатов обработки потребителям.

Организация баз данных, т.е. создание и ведение специальным образом, структурной совокупности данных.

Обеспечение функционирования всех имеющихся в САПР подсистем.

Организация решения прикладных задач.

Создание, функционирование и развитие базы данных поддерживается программным комплексом, расширяющим функциональные возможности операционных систем ЭВМ. Система управления базами данных (СУБД) - это комплекс программных и языковых средств общего или специального назначения, необходимый для создания баз данных, поддержания их в актуальном состоянии и организации доступа к ним различных пользователей в условиях принятой технологии обработки данных.

Банк данных (БнД) - это система специальным образом организованных данных (баз данных), программных, технических, языковых, организационно-методических средств, предназначенных для централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования этих данных.

В БнД САПР должна осуществляться обработка, как алфавитно-цифровой, так и графической информации. Для интерактивных методов проектирования необходима возможность диалогового режима при обработке информации. Должно быть обеспечено регулирование доступа к информации БнД пользователей различных уровней.

Банк данных должен строиться с учетом взаимосвязи с другими банками данных автоматизированных систем различного функционального назначения (АСУП, АСНИ и т.д.).

В соответствии с требованиями предъявляемыми к БнД в целом, определены следующие требования и к составляющим их частям - базам данных (БД) и к системам управления ими (СУБД). Состав БД определяют с учетом характеристик объектов проектирования (технических, метрологических, эксплуатационных и т.д.), характеристик процесса проектирования (характеристик стандартных проектных операций и процедур, типовых проектных решений, описание технологических операций с вариантами их реализации, характеристик рабочих мест и средств производства и т.д.), действующих нормативных и справочных данных, ранее созданных в организации информационных массивов [64,65].

При построении баз данных должен выполняться принцип информационного единства, т.е. должны использоваться термины, символы, условные обозначения, проблемно-ориентированные языки и другие способы представления информации, принятые в системах автоматизированного проектирования [67].

В качестве основных логических структур баз данных могут использоваться: иерархическая, сетевая, реляционная, смешанная (представляет собой различные сочетания выше перечисленных структур) [66, 67].

Структура СУБД должна строиться с учетом реализации концептуального внутреннего и внешнего уровней. Концептуальный уровень обеспечивает интегрированное представление о характере, содержании и структуре данных предметной области. Внутренний уровень поддерживает постоянное представление данных в соответствии с требованиями пользователей. Определение данных на каждом уровне представляют в виде концептуальной внутренней и внешней схем, в конкретных реализациях СУБД эти уровни могут быть совмещены. СУБД должно обеспечивать представление данных для каждого уровня в терминах, связанной с ним модели данных [68].

В процессе создания САПР плавильных отделений была поставлена задача разработки специализированной экономичной информационно-поисковой системы, способной решать следующие задачи: создание базы данных, имеющей файловую структуру; запись информации в БД; распечатка требуемой информации из БД; редактирование структур данных БД; поддержка данных на носителях длительного хранения.

В данной ИПС можно использовать файлы отчетов существующих БнД, СУБД и БД. Однако, время реакции и доступа у существующих систем, а также требования к объему оперативной памяти ЭВМ в некоторых случаях могут не удовлетворять пользователей.

Модель разрабатываемой ИПС имеет иерархическую структуру (лист 3).

Архив первого уровня является файлом, организованным специальным образом. В составе у него находятся файлы, которые в свою очередь являются архивами второго уровня. К файлам архивов первого и второго уровней организован определенный вид доступа: редактирование, запись, распечатка, выборка и т.д. Архивы второго уровня включают в себя файлы, содержащие исходные данные организованные определенным образом. Эти наборы данных состоят из записей, к которым возможен произвольный доступ, записи в свою очередь состоят из полей, в которых хранится информация. Каждая запись идентифицирована определенным значением ключа.

Эта структура модели данных, разрабатываемой ИПС, имеет явное сходство с моделью данных производственных БД. Однако обще известные модели являются отображающими и несущими для пользователей информационное содержание БД без подробностей физической организации данных. В файловых системах, в которых реализована модель типа «плоский файл», существуют базовые понятия четырех типов логических структур данных:

поле - наименьшая поименованная единица данных;

запись - совокупность полей, также поименованная;

файл - поименованная совокупность экземпляров записей одного типа;

набор файлов - совокупность файлов обрабатываемых в системе.

По характеру производимого действия различают несколько операций, такие как определение данного и нахождение его позиции в БД; выборку данных из БД; включение данных в БД; удаление записей из БД; изменение содержимого БД.

Приведенные возможности реализованы в разрабатываемой ИПС. С точки зрения эксплуатации, введение любого вида набора требует дополнительных расходов машинного времени для выполнения операций включения, удаления и модификации данных. Форма представления структур данных в памяти ЭВМ зависит от предполагаемого использования данных, поскольку для различных типов структур эффективность выполнения тех или иных операций обработки данных различна.

Основное различие форм представления структур данных определяется в первую очередь тем, как адресуются элементы структур данных: по месту или по содержимому.

В описываемой информационной системе адресация к данным производится двумя способами: к записям адресация производится по содержимому поля «кода» записи, определяющего принадлежность записи; к полям записи осуществляется по месту. Для облегчения работы с данной системой и повышения ее универсальности разработана подсистема обработки данных. Эта подсистема дает возможность работать с тремя типами файлов:

- файлы-отчеты, получаемые в результате работы с промышленными СУБД;

- информационные текстовые файлы, позволяющие почти произвольно записывать информацию по исходной совокупности объектов хранения базы данных;

- файлы внутреннего представления информации.

Первые два вида работы с файлами являются промежуточными, т.к. после считывания информации из этих наборов ЭВМ под управлением системы заносит эту информацию по необходимым адресам. И уже при повторном вызове информации система работает с наборами данных, имеющих внутреннее представление.

На схеме представленной на листе 3 видно, что в системе функционирует подсистема подготовки и генерации отчетов, которая при необходимости позволяет получить распечатку информации на принтере (графопостроителе), осуществлять просмотр ее просмотр на экране и выполнять другие преобразования, которые возможны с файлами в используемой операционной системе.

Возможна загрузка системы отдельными частями, что позволяет сократить требуемые объемы оперативной памяти.

Описываемая информационно-поисковая система позволяет работать с прикладными программами на языках уровня ПАСКАЛЬ, ФОРТРАН или АССЕМБЛЕР.

Информационно-поисковая система САПР плавильных отделений предоставляет проектировщику следующее информационное обеспечение (лист 2): справку, информацию по оборудованию, нормативы на размещение оборудования, архитектурно-строительные нормативы, модель отделения, эталон-проект, информацию о формах и нормах заполнения документации.

Предусматривается такой блок как «справка»в котором содержится информация о правилах работы с подсистемами предлагаемого САПР, подготовка исходных данных и интерпретация результатов.

Справочно-нормативные данные на размещение оборудования и архитектурно-строительные нормативы, необходимы для нормального функционирования всех подсистем.

Информация об оборудовании содержит данные о его мощности, габаритных размерах, производительности. Эта информация также используется всеми подсистемами САПР и может быть выведена проектировщику, для анализа.

Информация о типоразмерах комплектующих и материалах используется в соответствующих подсистемах для расчета оборудования, производственных мощностей, и при проектировании коммуникаций. Примером этого вида информации могут служить данные либо о наличии на складе, на пример, определенного сортамента труб или и возможности их закупки. Эти данные затем могут быть использованы для оптимального проектирования трубопровода системы снабжения.

В блоке «формы и нормативы заполнения документации» содержится информация, необходимая для формирования текстовой и графической документации проекта.

Подсистема выбора оборудования

Данная система предназначена для оптимального выбора оборудования, который осуществляется на основе номенклатуры и объема выпуска изделий, прогноза дальнейшего развития техники, уровня серийности производства. Эти сведения формируются на основании анализа задания на проектирование и материалов конструкторской документации. Кроме того, если объект (будь то отделение, завод или цех) подлежит реконструкции, то выдаются сведения по имеющемуся оборудованию для принятия решения о возможности его использования в проекте. Подсистема осуществляет поиск и выбор эффективных вариантов технических решений, используя накопленную в информационно-поисковой системе информацию об оборудовании. Выбор оптимального варианта оборудования определяется исследованием совокупности количественных и качественных признаков, характеристик и свойств оборудования, рассматриваемых в аспектах производственном, технологическом, экономическом, технологическом, надежности, стандартизации. Структура поиска, оптимальных моделей оборудования представлена на листе 4.

Процесс выбора оборудования происходит следующим образом. На основании информации о виде сплава, серийности производства, состава типовых технологических процессов, либо на основании запросов пользователя, формируются поисковые запросы для выбора моделей оборудования. Далее на основании сформированных запросов в соответствии с разработанным алгоритмом (лист 5) производится выбор оптимальных моделей оборудования. В основе работы подсистемы лежит теория принятия решений.

Алгоритм выбора оборудования работает следующим образом. Сначала все факторы, учитываемые при выборе оборудования (технические характеристики, габариты, стоимость, дефицитность, энергоемкость и т.д.) выстраиваются по убыванию значимости - т.е. производиться ранжировка приоритетов (блок 2). Ранжировку приоритетов выполняет проектировщик в зависимости от конкретного технического задания на проект.

Затем, по первому, главному по мнению проектировщика, приоритету выполняется подборка из БД всех объектов данного назначения в пределах безусловного ограничения (БО) этого параметра в порядке убывания/возрастания (блок 7). Задача блоку может быть поставлен несколько иначе: отобрать только первые элементы по убыванию/возрастанию приоритетов.

Если в БД не найдется ни одного элемента удовлетворяющего первому приоритету (блок 9), то система с разрешения пользователя переходит к следующему приоритету, считая его главным. Если найдется, то наилучший элемент проверяется на «попадание» в разрешенные области по каждому нижележащему приоритету и вышележащим приоритетам. Проверке подвергаются поочередно все отобранные элементы в порядке изменения параметра, пока первый из них не пройдет такое «сито». Может оказаться, что «сито» не пройдет ни один элемент (аварийное завершение программы). Очевидная ситуация возникает, если такой элемент окажется единственным. Если же всем требованиям удовлетворяют два и более элементов, отобранных описанным выше способом, то для каждого из них определяется сумма штрафных баллов (блок 23) и элемент с минимальной суммой считается выбранным для дальнейшего процесса проектирования цеха.

Подсистема автоматизированного расчета технологического оборудования

Подсистема предназначена для расчета оптимального количества выбранного оборудования. Укрупненная структурная схема расчета оборудования приведена на листе 6.

Расчет осуществляется следующим образом: в блоке 3 в диалоговом режиме пользователь определяет перечень участков, для которых необходимо выполнить расчеты. После этого определяется список необходимого оборудования (блок 4) и расчет его количества (блок 5). Далее производятся расчеты площади, занимаемой оборудованием (блок 6) и технико-экономических показателей (блок 7).

Информация, получаемая в результате работы подсистемы, необходима для функционирования подсистемы размещения оборудования. Поэтому в системе формируется файл, содержащий информацию о результатах работы подсистемы расчета оборудования.

Результаты расчета сводятся в итоговую таблицу, содержащую данные о рекомендуемых комплектах оборудования, его загрузке, занимаемой площади, технико-экономических показателях.

Расчет оборудования для всех участков производятся на основании действующих нормативов и правил [69,70].

Подсистема размещения оборудования

Данная система предназначена для получения компактного размещения разно габаритного технологического оборудования, литейных цехов вообще и плавильных отделений в частности, на участках заданного размера. Она позволяет разместить оборудование в соответствии с технологическим процессом, уменьшает длину связей, расстояние между единицами оборудования, минимизирует площадь, занимаемую оборудованием, обеспечивает прямолинейные проезды и проходы, удобный доступ к оборудованию.

Задача размещения заключается в назначении каждому элементу оборудования конкретных координат на плоскости с соблюдением следующих условий:

элементы оборудования должны быть установлены на ограниченной части плоскости заданной конфигурации;

проекции элементов оборудования на плоскость не должны пересекаться ;

между элементами должны соблюдаться необходимые зазоры.

Конфигурация отделения обычно определяется принятыми стандартами предприятия, технологическими возможностями производства и т.п., что соответствует первому условию.