Обобщённые формализованные задания в проектировании инженерных систем объектов

Б.И. Борде,
проф., к.т.н., bborde@sfu-kras.ru,
СФУ, г. Красноярск

Рассматривается развитие открытого учебно-исследовательского программно-методического комплекса автоматизации проектирования неоднородных вычислительных систем в локальном и сетевом вариантах. Концептуальное описание на языке высокого уровня в форме обобщенных формализованных заданий позволяет производить многовариантное проектирование и сопровождение объекта на различных уровнях с автоматической оценкой параметров и критериев эффективности. Обеспечивается автоматическое преобразование результатов в пакеты схемного и конструкторского проектирования.

We consider the development of an open educational and research program-methodical complex design automation of heterogeneous computer systems in local and network versions. Conceptual description of the high-level language in the form of generalized formal job enables contingency planning and tracking of the object at different levels with automatic assessment parameters and performance criteria. It provides automatic conversion results in the circuit packs, and construction engineering.

Ocнoвoй пpeдлaгaeмoгo пoдxoдa являeтcя oднoкpaтный ввoд oпиcaний oбъeктoв в форме обобщенных формализованных заданий для paзличныx уpoвнeй иерархии. Пpивычныe инжeнepу гpaфичecкиe дoкумeнты в видe временных диаграмм, cxeм и cбopoчныx чepтeжeй дoлжны пoлучaтьcя aвтoмaтичecки в peзультaтe интepпpeтaции фopмaлизoвaнныx зaдaний и peшeний. При этом повышается производительность труда студентов и инженеров и становится реальным активное обучение в проектной команде.

Формальное представление предметной области (ПРО) возможно с помощью онтологий. Модель онтологий представляется

O= (T, TREL, FVIEW),

где: T - конечное множество понятий (концептов, терминов);

TREL - конечное множество отношений между концептами;

FVIEW - конечное множество функций интерпретации, заданных на понятиях или отношениях.

Отношения между функциональными компонентами составляют систему, которая рассматривается как часть формализованного задания (FZ), раздел описания модуля, и может представляться принципиальной схемой или информационной моделью.

Описание проектного решения, достаточное для автоматизированного ввода и интерпретации формальной системой, называется формализованным заданием. Формализованные задания состоят из множества разделов, а разделы из предложений соответствующего языка.

Предлагаются объектно-компонентные описания множества вариантов вычислительной системы на стандартных языках высокого уровня с библиотеками моделей компонент для различных приложений. Варианты отличаются компонентами и связями между ними. Для каждого варианта задаются предполагаемые результаты, которые автоматически сравниваются с фактическими. Для каждого варианта в процессе моделировании оцениваются требуемые ресурсы для вычисления критериев эффективности и выбора оптимального варианта. Все варианты представляются принципиальной схемой и объемной моделью.

Подсистема выбора формализованного задания и начальных значений параметров SETSEL представляется в виде:

SETSEL=<SETFZ, SETLD, SETLM, SETLIB, SETCADIN, SETSERV, SETLOC>

где SETFZ – множество имен формализованных заданий;

SETLD – множество допустимых языков описания (ADA, GCC, JAVA, PLI);

SETLM – множество допустимых языков сообщений (английский, русский);

SETLIB – множество допустимых видов библиотек (статические – lib, динамические - dll);

SETCADIN – множество допустимых описаний для входных САПР;

SETSERV – множество доступных серверов для просмотра материалов или выполнения заданий (CODWIN, CODLIN, OS2-ECOMSTATION);

SETLOC – имя диска (буква) размещения каталогов системы (COD, CODOS), примеров и библиотек объектов (FA) комплекса.

Подсистема выбора результатов проектирования PRJSEL представляется в виде:

PRJSEL=<SETCADOUT, SETINTF>

где SETCADOUT – множество допустимых выходных САПР (PCAD8, PCAD2001, PCAD2004, PCAD2006, CADSTAR, ORCAD, CADDY и форматы обмена);

SETINTF – множество используемых интерфейсов для выходных САПР.

Подсистема выбора представления результатов проектирования RESSEL представляется в виде:

RESSEL=< VIEWTXT, VIEWAD, VIEWSCH, VIEWMOD, VIEWNET>

где VIEWTXT – программа просмотра сообщений для одного или множества вариантов;

VIEWAD – множество программ просмотра диаграмм цифровых и аналоговых сигналов для многовариантного анализа;

VIEWSCH, VIEWMOD, VIEWNET – множество программ отображения схем, модулей и сетевых объектов;

Множество правил проектирования RPRJ состоит из следующих подмножеств:

RPRJ=<RNAMEVAR, RMCADIN, RMCADOUT, RFTSCH, RFTAB>

где RNAMEVAR – правила образования вариантов имен результатов проектирования;

RMCADIN – правила выбора модулей и функций заполнения таблицы варианта схемы;

RMCADOUT – правила выбора модулей и функций создания варианта схемы конкретной САПР;

RFTSCH – правила выбора модулей и функций извлечения данных из таблицы варианта схемы;

RFTAB – правила выбора модулей и функций извлечения данных из таблицы информации о компонентах схемы.

В процессе проектирования формализованное задание на языке высокого уровня, представляющее множество технических решений, преобразуется в текстовую или табличную форму уровня одного варианта решения, которая может быть преобразована в текстовый, командный или табличный формат конкретной САПР или в формализованное задание. Количество вариантов определяется формализованным заданием.

Международный стандарт ISO 15926 установил трехуровневую архитектуру моделей. Внешний (External) уровень моделей соответствует запросам пользователей, внутренние (Internal) модели соответствуют таблице варианта УИ САПР <COD>. Концептуальный уровень в программно – методическом комплексе представлен формализованным заданием на проектирование (ФЗ-FZ). Основные понятия стандарта ГОСТ Р ISO 15926 приведены в [4,5,6] .

Таблица 1

Соответствие операций при проектировании объектов различных уровней

Операция	Система на кристалле	Печатные платы	Здания	Инфраструктура	Организация персонала
Концептуальное моделирование	Концептуальное моделирование и критерии эффективности
Ограничение площади и проектные нормы	Контур кристалла	Контур платы	План участка	План участка (кампуса)	План размещения рабочих мест
Установка слоев	Определение технологии создания слоев	Определение слоёв	Назначение этажей	Коммуникационные слои	Уровни обмена сообщениями
Размещение объектов	Создание компонент	Установка компонент	Установка оборудования	Установка зданий и объектов	Размещение сетевых рабочих мест
Трассировка соединений (связей)	Трассировка соединений	Трассировка соединений	Системная трассировка	Трассировка надземных и подземных коммуникаций	Правила обмена сообщениями
Моделирование реальной схемы (объекта, кампуса, коллектива) с оценкой критериев эффективности

В соответствии со стандартом был проведен анализ процесса проектирования различных объектов в разных областях. При проектировании устройств вычислительных систем моделируются варианты и выбирается оптимальный по критерию эффективности [1,2,3,4]. Для наземных систем это стоимость единицы производительности. При проектировании конструкции печатной платы компоненты размещаются по критерию минимума суммы длин проводников, а при трассировке соединений учитывается штраф за переходные отверстия и возможный уровень помех. Моделируется реальная схема устройства при заданных внешних воздействиях и проверяется соответствие заданию.

Процесс преобразования формализованного задания в описание для конкретной промышленной САПР с помощью программно-методического комплекса COD происходит следующим образом. Для каждого варианта описания формируется таблица TSCH (см. рис.1). Формализованное задание транслируется и редактируется с соответствующими моделями процедур, объединенными в библиотеку. При выполнении формализованного задания модель конкретного компонента вызывает обращение к информационной таблице и помещению информации о компоненте в таблицу варианта схемы (см. рис.2). Связи или соединения заполняются в таблице TSCH из формализованного задания. Таким образом, в таблице варианта схемы оказывается вся информация о компонентах, выводах компонентов и связях с другими компонентами. После формирования TSCH включаются функции формирования описания варианта схемы для конкретной САПР. Функции четвертого уровня (см. рис.1) обеспечивают обработку компонентов, а функции пятого уровня обеспечивают преобразование информации о выводах компонентов.

Например, функция для открытия таблиц соответствия обозначается DOpen или DbnOpen, а для их закрытия  DClose или DbnClose. Функция открытия файла библиотеки компонентов обозначается LОpen или LibOpen, закрытия  LClose или LibClose. Функция добавления цепей – NetAdd, функция добавления элементов – ElmAdd, функция дополнения схемы – SchAdd. Правила образования имен команд оболочки COD представлены в табл. 2.

Таблица 2

Правила образования имен команд оболочки COD

Назначение символа	Номер	Значение	Семантика значения
Способ выполнения формализованного задания	1	F	Локальное
		R	Сервер OS/2
		P	Сервер P390
		H	Сервер S390
		W	Сервер WWW
		L	Создание LIB
		I	Создание DLL
		M	Модуль общего интерфейса
Язык описания формализованного задания	2	P	PL/1 (PLI)
		C	C++ (CPP)
		J	JAVA
		A	ADA
		H	VHDL
Тип операционной системы	3	D	DOS
		O	OS/2
		W	WINDOWS
		V	VM
		H	MVS (OS390)
		U	UNIX
		L	LINUX
Пакет САПР для конкретной сферы	4	F	Модели функциональные
		G	Общий интерфейс
		R	PRAM5.3
		P	PCAD
		O	ORCAD
		C	CADDY
		A	AUTOCAD
		V	VRML
		E	EDIF
		S	STEP (EXPRESS)
		X	XML
		Z	TSCH
		V	VRML
		I	CATIA
		L	ALTIUM, PROTEL
Версия САПР	5, 6	Цифры	Номер версии
Тип моделей (интерфейс с САПР)	5, 6 или 7	F	Модели функциональные
		I	Модели командного интерфейса
		T	Модели табличного интерфейса
		C	Описание по компонентам
		N	Описание по цепям
		Z	Синтез FZ COD

Формализованное задание для автоматизированного анализа состоит из следующих разделов:

INIT  объявление и установка начальных значений параметров и компонентов;

INPUT  ввод внешних сигналов;

UNIT  описание схемы;

MOD  внутренние процедуры  модели компонентов;

CTRL  управляющий модуль.

	1. Формализованное задание (ФЗ)
2. Модели поиска путей и имен ФЗ (CodRead)	Модели компонентов (Comp)	Модели управляющих процедур и функций генерации сигналов (Control)
3. Структура данных варианта схемы (TSCH)
4. Методы чтения библиотеки компонент добавления и записи структуры данных схемы или файла макрокоманд	Методы чтения, записи, поиска в таблице данных варианта схемы (TSCH)	Методы чтения, записи и поиска компонента в таблице соответствия (Table)
5. Методы чтения, добавления и записи структуры данных компонента, его выводов и цепей	Методы чтения, добавления и записи таблиц символов и конструктивов	Методы поиска, чтения и записи информации о контактах компонента и подключенных цепях
Файл проекта конкретной САПР или стандартная структура обмена данными

Рис. 1. Обобщенная структура многоуровневой САПР при формировании файла проекта

	1. Формализованное задание (ФЗ)
2. Модели поиска путей и имен ФЗ (CodRead)	Модели компонентов (Comp)	Модели управляющих процедур и функций генерации сигналов (Control)
3. Структура данных варианта схемы (TSCH)
4. Методы чтения библиотеки компонент добавления и записи структуры данных файла макрокоманд	Методы чтения, записи, поиска в таблице данных варианта схемы (TSCH)	Методы чтения, записи и поиска компонента в таблице соответствия (Table)
5. Методы чтения, добавления и записи структуры данных параметров файла макрокоманд	Методы чтения, добавления и записи таблиц символов и конструктивов	Методы поиска, чтения и записи информации о контактах компонента и подключенных цепях
Файл макрокоманд конкретной САПР

Рис. 2. Обобщенная структура многоуровневой САПР для командного интефейса

Проектирование здания начинается с анализа участка и возможных внешних воздействий. В соответствии с основной функцией и критериями эффективности выбирается площадь и этажность здания. Проектируется конструкция здания с учетом энергоэффективности. Размещается основное оборудование здания в соответствии с нормами. Затем производится трассировка соединений для всей системы и ее моделирование..

Вычислительная сеть может находиться в здании или на открытом пространстве. Для неподвижных объектов, например зданий, подходит среда Autodesk REVIT c возможностью автоматического размещения в помещениях сетевых рабочих мест в соответствии с нормами. Кампус университета состоит из множества зданий, дорог и подземных коммуникаций и является объектом более высокого уровня со средой Autodesk INFRAWORKS. Кампус университета является частью объекта город. Процесс проектирования моделей начинается с нижнего уровня и заканчивается верхним, но является итерационным до удовлетворения требований задания.

Информационная модель объекта (BIM-Building Information Model) может быть построена в среде Autodesk REVIT с помощью команд при отсутствии или наличии планов этажей. Лучшие результаты получаются при автоматическом построении объектов с помощью программных модулей. Схема алгоритма автоматического построения объектов, при наличии поэтажных планов в форме dwg файлов, приведена в работе [6]. Для программных модулей в САПР REVIT используется Net Script CAD [3,4,5,6 ]. Размещение оборудования разделяется по назначению на электроснабжение, коммуникационное, технологическое, жизнеобеспечение и управление зданием [4,5,6]. Программные модули позволяют разместить оборудование, в соответствии с нормами, в лекционных аудиториях, рабочие места в лабораториях и офисах. Трудоемким является процесс соединения оборудования.

Каталог проекта должен содержать подкаталог dwg для поэтажных планов, каталог rvt для файлов Autodesk REVIT для возможности относительной адресации. Программные модули лучше создавать для многократного использования путем передачи параметров. Примером является модуль загрузки планов этажей.

САПР Autodesk REVIT предполагает работу трех различных специалистов: архитекторов, конструкторов строителей и специалистов по инженерным системам - системотехников (SYSTEM). Специалисты по инженерным системам должны владеть базовыми знаниями в различных областях и основами программирования для эффективного использования комплексных САПР, подобных REVIT, и информационной модели здания (BIM) в процессе его жизненного цикла. Состояние оборудования, помещений и конструкций в соответствии с единым протоколом управления объектом, например BACNET, поступает диспетчеру кампуса для оперативного управления и прогноза поведения объектов. Информационная сеть должна быть построена на различных принципах для сохранения работоспособности при чрезвычайных ситуациях.

Для проектирования кампуса или комплекса зданий необходим анализ участка и возможных внешних воздействий. Средой проектирования может служить САПР Autodesk INFRAWORKS. Границы участка и объектов задаются в угловых координатах, что создает возможность размещения кампуса на иной планете. Здания и объекты кампуса могут размещаться в двух вариантах. В виде символов в виде коробок или в виде полноценных зданий, созданных в САПР REVIT. Размещение символов требует меньше ресурсов и рекомендуется для проверки координат и взаимного расположения объектов. После проверки координат можно размещать полноценные здания из файлов типа rvt. Для проекта кампуса нужно создать каталог проекта и в нем подкаталоги dwg и rvt, где размещается все необходимые объекты и возможна относительная адресация. В САПР Autodesk INFRAWORKS проектирование возможно с помощью команд или программных модулей. Командный режим рекомендуется для оригинальных отличий одного кампуса от другого. Использование программных модулей рекомендуется для итерационного проектирования кампуса или создания подобных кампусов.

Объединяют кампус дороги различных классов, которые задаются по точкам излома. Класс дороги можно выбрать и изменить с помощью меню. Коммуникации кампуса проводятся на разной глубине и отображаются различными цветами. Коммуникации лучше добавлять после размещения зданий.

Координаты всех объектов вынесены в отдельный файл и представляют собой три массива: buildingsCoords-координаты зданий, roadsCoords-координаты дорог, treesPoligonsCoords-координаты полигона с деревьями. Это позволяет использовать координаты в любом проекте, включая соответствующий javascript файл.

Информационные модели кампуса и зданий важны не только для проектирования зданий и их комплексов. Гораздо важнее модели на всех этапах жизненного цикла с учетом ремонта и изменения коммуникаций. При наличии образцов модулей студент в течение месяца или семестра может выполнить проект или создать аналогичный модуль.

Традиционной является отраслевая подготовка специалистов в узких предметных областях. Нужна корректировка учебных планов для подготовки специалистов по инженерным системам с учетом информационной поддержки комплексными САПР и соответствующими сетевыми сервисами для стационарных и мобильных вычислительных устройств [4,5,6 ]. Таблица 1 подтверждает общий подход для систем различного уровня.

Интерпретация моделей систем и результатов моделирования выполняется специалистом предметной области непосредственно или после программной обработки. Обработка результатов позволяет снизить время восприятия данных специалистами в разных предметных областях.

Текстовая форма на языках низкого уровня позволяет описать один вариант системы. Текстовая форма с использованием языка высокого уровня позволяет описывать как конкретные системы, так и множество систем. Процесс проектирования и испытаний новой системы является итерационным. В каждом итерационном цикле выполняются проектные процедуры синтеза, анализа и принятия решения.

Проектирование производится при неполной информации о системе и внешней среде. Информация дополняется на каждой итерации проектирования системы. Анализ различия предполагаемых и фактических результатов и критериев эффективности позволяет формировать правила синтеза системы. Основное внимание следует уделить системам с прогнозом интервала сигналов или с моделью объекта. С накоплением знаний о сигналах и объектах уменьшается поток входной информации и увеличивается поток прогнозных оценок сигналов и объектов.

Пособия и методические материалы лучше разместить на сетевом сервере, а выполнение формализованных заданий производить на множестве серверов приложений в различных операционных системах. Пользователь может работать в одной операционной системе с сетевой программой просмотра, а выполнять ее в различных средах [4,5]. К серверу приложений могут подключаться различные сетевые устройства для сравнения результатов моделирования и эксперимента. Использовано аналого-цифровое устройство фирмы National Instruments USB DAQ и программное обеспечение COD SFU и Lab View.

Подключение аналого-цифровых устройств с цифровыми и аналоговыми входами-выходами по USB или сетевому интерфейсу обеспечивает высокую скорость обмена при сохранении гарантии на технические средства и вычислительные системы.

Программно-методический комплекс COD SFU доступен в сети Интернет по адресу http://e.sfu-kras.ru, и на оптическом диске (DVD-ROM) в свободном доступе в библиотеке СФУ [4].

Литература

1. Основы автоматизированного проектирования. Учебник / Под ред. А. П. Карпенко.- М., ИНФРА-М, 2015. 329с.

2. Артамонов Е. И. Структурное проектирование систем. / Е.И.Артамонов// Информационные технологии в проектировании и производстве.2008. №2. С.3–10

3. Борде Б.И. Основы САПР неоднородных вычислительных устройств и систем, Красноярск, изд. КГТУ с грифом Минобразования, 2001г.- 352с.

4. Борде Б.И. Программно - методический комплекс "Основы САПР неоднородных вычислительных устройств и систем " Красноярск, КГТУ, 2008г.-CDROM (рус.,англ.) . Номер гос. регистрации НТЦ ИНФОРМРЕГИСТР 0320702238. Полный текст 2012 (HTML, 687 Мб). Доступ в сети СФУ.

5. Борде Б. И. Сетевые сервисы проектирования неоднородных вычислительных систем. / Б. Борде //Труды международной конференции CAD/CAM/PDM – 2012. М.: ИПУ РАН, 2012-c.242-244.

6. Борде Б. И. Развитие программно методического комплекса проектирования неоднородных вычислительных систем. / Б. Борде <Системы связи и радионавигации>, Красноярск, АО НПП РАДИОСВЯЗЬ, ISBN 978-5-9905691-1-9,2015,c. 234-239. ( 27-28 августа 2015 г.) / Б. Борде, «Успехи современной радиоэлектроники», №10, 2015, с.188-191.

7. https://en.wikipedia.org/wiki/Industry_4.0