Komputerowe wspomaganie projektowania
Metoda, metodyka i metodologia projektowania.
Podstawowym działaniem każdego inżyniera niezależnie od branży i niezależnie od sfery działania (przygotowanie technologii, organizacja produkcji, zaplecze projektowo-badawcze, etc.) jest projektowanie rozumiane jako planowanie (obmyślanie) sztucznych układów, czyli systemów materialnych w zakresie techniki.
Projektowanie występuje także w medycynie, administracji, wojsku, reklamie i wielu innych dziedzinach; jest więc powszechnie spotykanym zjawiskiem społecznym. Jednocześnie spełnia ono doniosła rolę, tworząc otoczenie człowieka – stąd wynika ważność uczenia projektowania.
Wyróżnia się dwa pojęcia, a mianowicie:
projektowaniem nazywa się obmyślanie funkcji i postaci obiektu, natomiast konstruowaniem nazywa się wyznaczanie jego konstrukcji.
Projektowanie zawiera wielki ładunek pracy twórczej; dlatego było uważane za działalność nie poddającą się badaniom twórczym i algorytmizacji. Wykryto jednak pewne prawidłowości procesu projektowania, niezależnie od przedmiotu projektowania (co jest obmyślane) i podmiotu projektowania (kto to robi).
Wykrywanie tych prawidłowości, a także postulowanie racjonalnych zasad postępowania stało się podstawą nowej dziedziny nauki zwanej metodologia projektowania (nauką konstrukcji).
Metodologia projektowania jest nauką o racjonalnych sposobach projektowania, niezależnie od celu projektowania i środków. Zajmuje się ona wyróżnianiem i definiowaniem charakterystycznych czynności w procesie projektowania, identyfikacją ich celów i warunków, ich analizą oraz opisywaniem procedur właściwych tym działaniom.
Metodologia projektowania ma charakter częściowo postulatywny (tak należy robić), częściowo deskryptywny (tak robią fachowcy). Jest nauką interdyscyplinarną i staje się podstawą uporządkowania wiedzy inżynierskiej w różnych dziedzinach. W metodologii wykorzystuje się dorobek wielu dziedzin nauki, w tym między innymi: ekonometrii, psychologii, pedagogiki, informatyki, statystyki matematycznej, cybernetyki, a przede wszystkim licznych gałęzi bada operacyjnych (np. teorii optymalizacji, teorii gier, teorii decyzji, teorii zbiorów rozmytych, itd.).
Metodą nazywa się świadomie i celowo zastosowany sposób działania, zmierzający do rozwiązania danego problemu w skończonej liczbie kroków.
Jeśli kolejność działań i same działania są zdeterminowane (tzn. formułowane jasno i jednoznacznie, tak że użytkownik metody nie ma żadnych wątpliwości jak, kiedy i co kolejno robić), to mówimy o metodzie algorytmicznej i staramy się ją przedstawić w formie algorytmu. Otrzymanie wyniku końcowego z określoną dokładnością i w skończonej liczbie kroków jest wówczas zagwarantowane pod warunkiem, że zastosowano odpowiednią metodę do danego zadania i że ściśle jej przestrzegano.
Przykładem takim może być obliczanie pierwiastków równania kwadratowego lub programowanie telewizora zgodnie z załączoną instrukcją.
W przeciwnym przypadku mówimy o metodzie heurystycznej (metodzie opartej o stawiane hipotezy) i przedstawiamy ją w postaci tzw. programu heurystycznego.
Użytkownik tej metody ma swobodę wyboru drogi, interpretacji poleceń, może zmieniać ich kolejność, a nawet dowolnie kompilować fragmenty różnych metod (przykładem może być metoda diagnozowania uszkodzonego silnika, metody leczenia, czy nawet przepisy kulinarne). Metoda heurystyczna nie zapewnia uzyskania oczekiwanego wyniku końcowego, lecz tylko zwiększa prawdopodobieństwo jego uzyskania.
Metodyka to zbiór metod określonej klasy przeznaczenia (np. metodyka projektowania procesorów, lub metodyka leczenia chorób żołądka).
Zbiór ten jest uzupełniony strategią postępowania, a w szczególności wskazówkami (najlepiej metodą) dotyczącą wyboru konkretnej metody spośród danego zbioru.
Strategia to zespół reguł określających kolejność wykonywania poszczególnych czynności.
Strategia projektowania to:
struktura procesu projektowania,
algorytmy poszczególnych etapów struktury i
sposoby wyboru metody szczegółowej dla konkretnego przypadku.
Metodologia jest nauką o metodach (o czym już była mowa). Jest teorią tworzenia metod, sposobów ich użytkowania i strategii, mającą swoje pojęcia i prawa.
Utylitarne cele metodologii projektowania można wymienić jako zadania w zakresie:
formalizacji i algorytmizacji działań projektowych, co umożliwia opracowywanie instrukcji lub norm projektowania, systemów i programów komputerowo wspomaganego projektowania,
organizacji procesu projektowania,
racjonalnego formułowania zadań projektowych,
współpracy projektanta z użytkownikami, ekspertami, etc.
Wymagania stawiane przedmiotom
projektowania,
podmiotom projektowania i
procesowi projektowania.
Wymagania stawiane obecnie przedmiotom projektowania są diametralnie różne od wymagań stawianych tradycyjnie.
Wynika to przede wszystkim z wyraźnie wyższych wymagań jakościowych (przykładem mogą być tutaj wymagania stawiane współcześnie produkowanym samochodom co do ich bezpieczeństwa i niezawodności), masowości produkcji, rozległości i różnorodności obejmowanej tematyki, kompleksowości powiązań zewnętrznych i ponoszonych kosztów, etc.
Jednocześnie w wielu dziedzinach, gdy projektowany obiekt jest duży (statek, fabryka, centrum handlowe, itp.), projekt należy wykonać na indywidualne zamówienie. Zwiększa się ponadto różnorakość projektowanych urządzeń i systemów oraz siła ich powiązań z otoczeniem. Żąda się ponadto coraz krótszych czasów projektowania, wynika to z konkurencji na rynku.Powyższe żądania w stosunku do rezultatów projektowania narzucają nowe wymagania dla systemu projektującego, są to między innymi:
konieczność angażowania dużej liczby projektantów do jednego zadania,
konieczność angażowania specjalistów z różnych dziedzin do jednego zadania,
konieczność angażowania dużych środków finansowych
uzyskanie najwyższej jakości projektowania.
Z tych wymagań wynikają nowe żądania w stosunku do procesu projektowania, w tymi między innymi:
konieczność starannego planowania procesu, dekompozycji zadań i koordynacji prac różnych zespołów,
umożliwienie współuczestnictwa osobom spoza zespołu projektującego,
potrzeba wykorzystania najnowszych metod projektowania wspomaganego komputerowo,
niezbędność optymalizacji działań projektowych ze względu na czas i koszty,
racjonalizacja zbierania i przechowywania informacji,
umożliwienie efektywnej pracy osobom o mniejszym talencie lub doświadczeniu zawodowym.
Prognoza co do ewolucji powyższych wymagań jest następująca: malejące zasoby energetyczne i materiałowe na kuli ziemskiej spowodują, że wymagania w stosunku do projektowanych obiektów będą rosły. Będą one musiały być coraz bardziej „globalnie optymalne”. Stąd też wynika konieczność projektowania indywidualnego.
Wzrośnie ponadto zapotrzebowanie na utalentowanych projektantów. Systematycznie będzie wrastać rola projektowania wspomaganego komputerowo prowadząc do zwiększenia efektywności procesu projektowania.
System komputerowy uwalnia projektanta od uciążliwych prac rutynowych, takich jak obliczenia, wyszukiwanie informacji numerycznych, tekstowych i graficznych czy kreślenie, umożliwiając mu wydajną pracę twórczą, np. zachęcając do projektowania wielowymiarowego czy do symulacji działania projektowanego obiektu.
Charakterystyka procesu projektowania technicznego
Projektowanie jest całokształtem działań, zmierzających do obmyślenia sposobu zaspokojenia określonej potrzeby.
Proces projektowania zaczyna się w chwili uświadomienia sobie określonej potrzeby i podjęcia decyzji o jej zaspokojeniu, a kończy w chwili, gdy wypracowana jest szczegółowa i wiarygodna informacja o tym, w jaki sposób i za pomocą jakich środków ta potrzeba może być zaspokojona.
Potrzeba jest przy tym określona probabilistycznie, podobnie jak warunki jej zaspokojenia.
Proces zaspokajania potrzeby jest związany z koniecznością podjęcia świadomych działań w sferze materialnej.
Jest to proces przetwarzania masy lub energii oraz ewentualnie urządzenie do realizacji tego procesu i nazywa się go (ten proces) obiektem projektowania.
Proces projektowania jest elementem większego systemu projektowania.
Ten ostatni składa się z podmiotu projektowania (zwanego systemem projektującym), przedmiotu projektowania (ściśle: projektu projektowanego obiektu) i procesu projektowania, zwanego krótko projektowaniem.
Ujęcie systemowe nakazuje widzieć proces projektowania jako jeden z elementów procesu zaspokajania potrzeby, który składa się co najmniej z trzech elementów:
procesu projektowania,
procesu wykonania obiektu,
procesu eksploatacji obiektu.
Przez projektowanie będziemy zatem rozumieć wszystkie czynności i działania, począwszy od określenia i opisania potrzeby, a skończywszy na szczegółowym obmyśleniu, jak ta potrzeba ma być zaspokajana.
Projektuje się więc jakiś proces, jakieś urządzenie łącznie nazwane obiektem projektowania lub przedmiotem projektowania.
Celem projektowania będzie więc obmyślenie obiektu projektowania oraz sposobu jego eksploatacji, czasem również niektórych nietypowych procesów wytwarzania obiektu.
Podsumowując jako charakterystyczne dla procesu projektowania uznano następujące elementy:
projektowanie jest procesem przetwarzania informacji i generowania informacji,
celem procesu projektowania jest obmyślanie tego, czego jeszcze nie było; stąd wynika konieczność stosowania metod heurystycznych lub innych działań twórczych oraz konieczność programowania i symulowania,
projektowanie jest procesem złożonym, zawierającym działania o różnym stopniu sformalizowania: od czysto heurystycznych do czysto algorytmicznych, przy czym działania twórcze są kluczowe. Rezultaty silnie zależą od człowieka,
proces projektowania jest podporządkowany procesowi zaspokajania potrzeb,
mimo znacznego udziału elementów twórczych, proces projektowania może być badany, opisywany i powinien być nauczany,
brak jednoznacznych modeli samego procesu projektowania,
informacja wejściowa projektowania jest niepełna,
najczęściej brak jest pełnego matematycznego modelu projektowanego obiektu i procesów z nim związanych, co powoduje, że proces projektowania można algorytmizować tylko częściowo,
ekonomiczne i pozaekonomiczne skutki złych rezultatów projektowania mogą powodować wielkie straty (ekonomiczne, socjalne, i inne).
Przyjęty rodzaj procesu projektowania zależy m.in. od:
rodzaju zadania projektowego,
rodzaju podmiotu projektowania (systemu projektującego), np. własne biuro konstrukcyjne czy zlecenie na zewnątrz, kwalifikacje personelu, wyposażenie zaplecza, dostęp do informacji,
środków finansowych i czasu przeznaczonego na projektowanie.
Ponieważ projektowanie jest procesem przetwarzania masowej informacji, a komputer jest najpotężniejszym (poza mózgiem) narzędziem do przetwarzania masowej informacji, jest naturalne że niemal od początku rozwoju technik komputerowych poświęcono szczególnie dużo uwagi tej klasie zastosowań komputerów.
Czy można zastosować w procesie projektowania komputer, który realizuje wyłącznie działania algorytmiczne? Odpowiedź jest twierdząca, gdyż w procesie projektowania oprócz działań twórczych jest także wiele działań jednoznacznie zdefiniowanych, algorytmicznych, np. obliczanie, rysowanie czy wyszukiwanie informacji, i te możemy w całości „powierzyć komputerowi”.
Działania algorytmiczne bez trudności są kodowane i włączane do systemów komputerowych i na nich są oparte programy i systemy komputerowego wspomagania projektowania.
Stało się oczywiste, że należy rozdzielić czynności projektowe na: algorytmiczne i heurystyczne (twórcze i decyzyjne). Dla tych pierwszych czynności stworzono ( i w dalszym ciągu tworzy się) oprogramowanie, natomiast drugie czynności można i należy pozostawić człowiekowi.
Tak zorganizowane komputerowe systemy funkcjonują głównie jako systemy dialogowe lub interaktywne. Istotne w tych systemach jest:
rozdział czynności między komputer i operatora,
bazy danych (stałe i dynamicznie zmienne),
sposób komunikacji między operatorem i komputerem.
Ponieważ każda procedura heurystyczna zawiera jakieś działania algorytmiczne, można się spotkać z wykorzystaniem komputera jako narzędzia wspomagającego. Mówi się wtedy o projektowaniu wspomaganym komputerowo.
Komputerowym wspomaganiem projektowania nazywa się proces użytkowania zbioru metod i środków informatycznych (komputerowych) wzmacniających możliwości twórcze konstruktora czy projektanta.
Jest to pewien system składający się z trzech głównych elementów:
konstruktora lub projektanta, nazwanego dalej użytkownikiem, mającego odpowiednie kwalifikacje,
sprzętu komputerowego,
oprogramowania.
Taki trójelementowy układ nazywa się systemem CAD (Computer Aided Design) lub systemem KWP (komputerowego Wspomagania Projektowania
Należy podkreślić, że CAD jest narzędziem wspomagającym pracę człowieka przy użyciu komputera, a nie eliminuje jego z procesu projektowania.
Systemem Komputerowego Wspomagania Projektowania (CAD) nazywa się taki układ człowiek-komputer, który w sposób najefektywniejszy wykorzystuje jednocześnie możliwości obu tych elementów i pracuje w sposób interaktywny.
Takie ujęcie umożliwia ponadto tworzenie stosunkowo uniwersalnych pakietów programowych, np. powszechnie używanych na rynku polskim pakietów wspomagających rysowanie, takich jak AUTOCAD ver.10-14, AUTOCAD LT, AUTOSKETCH, MEGACAG, czy mniej znany PROENGINEER lecz o znacznie szerszych możliwościach.
Przyjęły się odpowiednie nazwy klas takich pakietów jak:
CAD (Computer Aided Design) – konstruowanie i projektowanie wspomagane komputerowo,
CADD (Computer Aided Design and Drafting) – wspomagane komputerowo geometryczne modelowanie (rysowanie) w zintegrowanym procesie konstruowania i projektowania,
CAM (Computer Aided Manufacturing) – wspomagane komputerowo sterowanie procesem wytwarzania, z wykorzystaniem obrabiarek sterowanych numerycznie (NC-numerical Control) i obrabiarek sterowanych mikroprocesorami (CNC – Computer Numerical Control),
CAD/CAM (Computer Aided Design and Manufacturing) – zintegrowane (komputerowo wspomagane) konstruowanie i sterowanie produkcją z możliwością tworzenia plików z danymi pośrednimi między kolejnymi fazami realizacji programu komputerowego,
CIM (Computer Integrated Manufacturing) – zintegrowany, komputerowo wspomagany system technicznego i organizacyjnego przygotowania produkcji oraz nadzoru procesu wytwarzania ,
CAT (Computer Aided Testing) – sterowany komputerowo proces kontroli technicznej w procesie wytwarzania,
CAE (Computer Aided Engineering) – łączne określenie komputerowego wspomagania prac inżynierskich, tzn. systemów łączących CAD, analizę pola (metoda MES,MEB, MRS, etc.), obsługę eksperymentu, komputerowe sterowanie obiektami, edytory tekstów, bazy danych i inne.
Jedną z głównych barier rozwoju komputerowych systemów wspomagania projektowania (i konstruowania ) jest brak algorytmów dla działań twórczych, które są heurystyczne.
Lata dziewięćdziesiąte przyniosły kolejne nowe i ważne elementy rozwoju zastosowań komputerów w projektowaniu:
lawinowy rozwój możliwości sprzętowych (grafiki, teletransmisji, pamięci, systemów sieciowych, etc.),
systemów z przetwarzaniem równoległym (parallel processing), co jest szczególnie obiecujące w przypadku sztucznych sieci neuronowych,
oprogramowanie algorytmów sztucznej inteligencji,
tworzenie sieci komputerowych, w których można instalować zintegrowane systemy oprogramowania z rozproszonymi bazami danych.
Zakres komputerowego wspomagania prac inżynierskich
Do typowych działań, które mogą być wykonywane przez komputer zalicza się:
wykonywanie obliczeń w jednym przejściu np. obliczanie bilansów cieplnych, automatycznego zbierania danych i statystycznej obróbki danych;. Charakterystyczne jest to, że operuje się na dużych zbiorach danych,
wykonywanie obliczeń iteracyjnych jak przy optymalizacji czy symulacji. Charakterystyczne jest to, że są realizowane złożone, powtarzające się i długotrwałe obliczenia oraz że użytkownik powinien mieć możliwość interwencji w trakcie obliczeń, po każdej iteracji,
wykonywanie dokumentacji rysunkowej, np. konstrukcyjnej: rysowanie brył, transformacji rysunków,
rysowanie wykresów, w tym trójwymiarowych (np. .GRAPHER, DERIVE, MATHEMATICA, IDL, czy MATLAB),
wyszukiwanie informacji o zadanych właściwościach materiału, wyszukiwanie dokumentacji, przeszukiwanie katalogu,
wspomaganie podejmowania decyzji (Systemy Ekspertowe, czy Doradcze),
edycję tekstów (edytory tekstów – WORD, WORDPERFECT, LATEX, TEX, etc.), np. opisów technicznych.
Od pewnego czasu CAD jest samodzielnym przedmiotem. Sytuacja ta może ulec zmianie, gdy wykorzystanie komputera będzie tak powszechne i naturalne, tak jak pióra, papieru i kalkulatora.
Typowe pakiety (systemy ) CAD składają się z kilku części, często zwanych modułami lub programami.
Z reguły są to osobne jednostki programowe, widziane prze system operacyjny komputera jako niezależne pliki.
Często mogą to być autonomiczne programy, które można uruchamiać niezależnie.
Typowe są następujące moduły:
Preprocessor – służy do wprowadzania danych przez użytkownika.; może to być np. moduł modelowania graficznego, który umożliwia dialogowe wprowadzanie cech konstrukcyjnych w formie graficznej i zapisanie ich w pamięci komputera w formie binarnej,
Solver (rozwiązywacz) – realizuje wszelkie wymagane obliczenia, np. wytrzymałościowe, dynamiczne, polowe, obwodowe, termiczne, etc.,
Postprocessor – umożliwia wyprowadzenia wyników obliczeń w formie najbardziej komunikatywnej dla użytkownika, w szczególności w postaci graficznej, plików ASCII, Postscriptowych, HPGL, etc.,
Baza danych –można tu wyróżnić bazę danych stałych, wprowadzoną przez twórcę systemu, których użytkownik nie może zmieniać ani wymazać, albo które może uzupełniać, oraz bazę danych zmiennych automatycznie uzupełnianą przez system,
Biblioteka procedur –przewidzianych do używania nie w jednym, lecz w kilku modułach,
Główny program zarządzający, który umożliwia użytkownikowi sterowanie przebiegiem procesu obliczeń, wprowadzanie nowych danych, obsługuje przerwania, steruje komunikacją między modułami, itp.
Krytycznym problemem w oprogramowaniu systemu CAD jest podział zadań między użytkownika i system komputerowy oraz sposób komunikacji między nimi.
Preferuje się tryb dialogowy oraz możliwie rozbudowany język graficzny i system opcji wybieranych z rozwijającego się na ekranie menu (o hierarchicznej strukturze).
Z punktu widzenia użytkownika w tworzeniu programu można wyróżnić systemy CAD typu czarnej skrzynki (black box), w których użytkownik otrzymuje zamknięty program w postaci binarnej (nie ma on dostępu do modułów programowych), oraz systemy otwarte (programowalne), gdzie może on zmienić lub uzupełnić brakujące fragmenty programu, np. systemy do polioptymalizacji lub symulacji.
Znaczenie systemów CAD.
Najważniejsze korzyści wynikające z wykorzystania systemów CAD to:
ułatwienie, praktycznie umożliwienie, wyznaczania rozwiązania optymalnego,
podwyższenie jakości uzyskanego rozwiązania, np. przez stosowanie znaczne dokładniejszych modeli matematycznych,
skrócenie czasu projektowania,
odciążenie projektanta od czasochłonnych i często nudnych prac rutynowych (np. kreślenie), co zachęca do go do kontynuowania działań twórczych, np. projektowania wielowariantowego,
zwiększenie możliwości korzystania z istniejących rozwiązań projektowych, dzięki wykorzystaniu komputerowych baz danych, norm katalogów, itp.,
umożliwienie prowadzenia symulacji zachowania się projektowanego obiektu w różnych warunkach, jeszcze na etapie projektowani, bez konieczności budowy prototypu i przeprowadzania kosztownych badań laboratoryjnych lub eksploatacyjnych.
Przykład: Miarą rozwoju rynku systemów CAD może być poziom inwestycji w te systemy. Przykładowo w USA w 1983 roku zakupiono 3000 systemów za kwotę 1.5 mld. USD (średnia cena systemu wyniosła około 56000 USD), a w roku 1988 zakupiono 16000 systemów za kwotę 6 mld. USD (średnia cena systemu wyniosła już około 430000 USD).
Należy zaznaczyć, że przeciętny koszt sprzętu nie przekracza 20% kosztów wyposażenia stanowiska pomimo iż stosuje się tu bardzo drogi sprzęt.
Wymagania stawiane systemom CAE.
Wymagania stawiane pakietom rosną dynamicznie w miarę rozwoju sprzętu, baz danych, sieci komputerowych, etc.
Pojawia się nowe zjawisko, a mianowicie w związku z poszerzeniem się kręgu użytkowników (w tym osób z małą znajomością informatyki) pakiety te muszą być dostosowane do tego kręgu osób.
Podstawowym wymaganiem jest zawsze dobra dokumentacja użytkownika, zawierająca instrukcję obsługi, instalowania, uruchomiania, listę błędów, listę plików systemowych, etc.
Wymagania dotyczące obsługi:
istnienie wygodnego systemu help; najlepiej kontekstowy, tzn. że na ekran wyprowadzana jest tylko informacja dotycząca bieżącej sytuacji lub wybranej w danej opcji,
moż...
pio1281trek