С начала 80-х годов 20 века, в связи с массовым производством и внедрением персональных компьютеров (ПК), идея системной автоматизации процесса проектированиястановится практически осуществимой для проектных организаций любого масштаба: от крупного института до частного бюро. Понятие САПР, с одной стороны, упростилось и зачастую ассоциируется с той или иной компьютерной программой. С другой стороны, проектирование сложных технических объектов возможно лишь в рамках САПР как организационно-технической системы,в основе которой - весь потенциал информационных технологий.

Средства обеспечения САПР классифицируют как единство следующих компонентов: техническое, программное, математическое, методическое, информационное и организационное .

2.1. Техническое и программное обеспечение

Техническое обеспечение - это комплекс технических средств, с помощью которого осуществляют сбор, обработку, хранение, преобразование и передачу данных, связанных с объектом проектирования.

Основу технического обеспечения составляют средства вычислительной техники и, в первую очередь, это - персональный компьютер.

Стандартная конфигурация компьютера общеизвестна (см. рис. 2.1):

· системный блок, состоящий из процессора, оперативнойпамяти, блока питания, винчестера, другихнакопителей данных, портовподключения периферийных устройств;

· клавиатура для ввода информации;

· монитор для отображения информации;

· мышь для удобства диалога "человек-компьютер".

Рис. 2.1. Персональный компьютер стандартной конфигурации

Понятие периферийных устройств включает широкий перечень технических средств. В первую очередь, это средства сбора и обработки данных для проектирования. К ним можно отнести электронное геодезическое оборудование (тахеометры, системы спутниковой навигации, лазерные сканеры и пр.), которое или работает непосредственно под управлением компьютеров, или передает данные измеренийв виде компьютерных файлов. Более подробная информация о технических средствах инженерных изысканий изложена в гл. 4.

Если исходная информация о проектируемой дороге представлена в виде планшетов топографических планов, то для преобразования информации из бумажного вида в электронный применяют сканеры (см. рис.2.2,а). Сканеры бывают рулонные или планшетные. Точность сканирования последних существенно выше и может достигать 12000 dpi (dots per inch - точек на дюйм). Когда речь идет о проектировании сложных технических объектов, то применяют инженерные сканеры большого формата A 0(A 1).

Выходную графическую информацию об объекте проектирования (чертежи) печатают на плоттерах также большого формата. По способу подачи бумаги плоттеры как и сканеры, бывают рулонные (рис.2.2,б)или планшетные. По способу нанесения красящего вещества – лазерные или струйные. Вопрос о том, каким должен быть инженерный чертеж,черно-белым или цветным, в последнее время однозначно решается в пользу цветного. Во-первых, в виду существенного прогресса в области цветной печати, которая стала незначительно дороже черно-белой. Во-вторых, цвет несет дополнительную информацию о проектируемом объекте и способствует повышению эффективности зрительного анализа таких чертежей.

SHAPE\* MERGEFORMAT

Рис. 2.2. а) Сканер рулонный; б) Плоттеррулонный

К периферийным устройствам компьютера также можно отнести аппараты цифрового фото и видео, которые в настоящее время широко применяются при сборе исходных данных для проектирования дорог.

Для организации коллективной работы над проектом и оперативного обмена информацией компьютеры объединяют в локальные (интранет) и глобальные (интернет) сети, техническими компонентами которых являются серверы, сетевые плата, модемы, оптоволоконные сети и пр.

Программное обеспечение САПР подразделяют на общесистемное и прикладное .

К общесистемному программному обеспечению относят, в первую очередь, операционные системы (ОС), которые управляют всеми процессами, происходящими в компьютерах. Появление и эволюция ОС происходила параллельно с развитием самих компьютеров. Если создание первого персонального компьютера ассоциируют с фирмой IBM (www . ibm . com ), то первая массовая ОС появилась для этого компьютера от фирмы Microsoft ( www. microsoft. com ) и называлась MS - DOS .

14-летний путь эволюции (с 1981 по 1995 г.г.) MS - DOS версий 1.0-7.0 способствовал внедрению компьютеров от решенияузких инженерных задач до повсеместного их применения во всех сферах жизни.

С начала 90-х годов на смену MS - DOS приходит Windows (от англ. – окна) также от фирмы Microsoft , котораяпозволяет одновременно работать с несколькими программами (окнами), с легкостью переключаясь между ними без необходимости закрывать и перезапускать отдельные программы. На начальном этапе развития Windows выполняла роль графического интерфейса для MS - DOS .

С выходом Windows 3.1 (1992 г.) эта операционная система ассоциируется как самостоятельная, способная работать с оперативной памятью более 640 кб, с масштабируемыми шрифтами TrueType .

Выпуск в 1993 г. Windows NT (сокращение от New Technology – новая технология) был хорошо принят разработчиками благодаря ее повышенной защищенности, стабильности и развитому API -интерфейсу Win 32 , упрощающему составление мощных программ.

В 1995 г. выходит Windows 95 – самая дружественная пользователю версия Windows , для инсталляции которой не требуется предварительно устанавливать DOS ; ее появление делает ПК более доступным массовому потребителю. В Windows 95 имеются встроенный набор протоколов TCP / IP и допускается использование длинных имен файлов.

Windows 98 (1998 г.) – последняя версия Windows на базе старого ядра, функционирующего на фундаменте DOS . Система Windows 98 интегрирована с браузером Internet Explorer 4 и совместима с многочисленными новыми аппаратными стандартами, в том числе USB-портами. Последующие версии Windows разрабатывались на базе ядра NT.

В настоящее время (с 2001 г.) большинство прикладных программ, в том числе САПР, функционирует под управлением операционной системы MS Windows XP (от англ. eXPerience – опыт).

Новый проблемно-ориентированный интерфейс MS Windows XP позволяет в кратчайшие сроки освоить принципы работы с операционной системой даже тем пользователям, которые ранее никогда не сталкивались с системами семейства Windows . Применяемые в Windows XP расширенные web-технологии открывают возможность обмена текстовыми и голосовыми сообщениями, создания web-проектов различного уровня сложности и совместного использования приложений не только в локальной сети, но и в Интернете.

К условно общесистемному программному обеспечению можно отнести MS Office , ряд приложений которого (текстовый редактор Word , электронные таблицы Excel ) стали де-факто стандартами в своем классе программ. Практически все САПР, формирующие в качестве выходных данных текстовые документы, осуществляют это в среде MS Word , а табличные формы – в среде MS Excel .

К прикладным программам, помимо самих САПР, можно отнести: векторизаторы; программы обработки геодезических данных, данных дистанционного зондирования; системы управлениями базами данных (СУБД);системы управления проектно-конструкторской документацией (СУПКД) и др.

Последние из перечисленных (СУПКД) являются исключительно важными в работе проектных организаций, поскольку в значительной степени обеспечивают функционирование систем контроля качества при производстве проектной продукции.

Из множества программ этого класса наиболее полнофункциональной системой является Party PLUS (разработчик – компания Лоция Софт, Москва, www . lotsia . com ).

Party PLUS является профессиональной системой, построенной в архитектуре "клиент-сервер" на базе СУБД типа Oracle , MS SQL - Server , Sybase и отличающейся надежностью, производительностью, масштабируемостью и защищенностью.

Рис. 2.3. Система управления документацией Party PLUS

Система содержит защищенный архив документов, а также встроенные средства свободной и предопределенной маршрутизации документов, работ и управления бизнес-процессами. Система поддерживает режим параллельной коллективной работы различных групп пользователей и обеспечивает управление всей относящейся к проекту информацией, что позволяет сотрудникам проектной организации не только получать доступ к описанию проекта, но и управлять информацией об этом проекте.

Если на предприятии несколько территориально распределенных проектных отделов, то с помощью Party PLUS можно организовать отлаженное взаимодействие удаленных подразделений при работе над несколькими проектами.

Party PLUS обладает функцией ведения истории всех инженерных изменений в структуре проекта, возможностью сравнения текущего состояния с состоянием на любую дату. Имеются средства поддержки многовариантного проектирования с хранением вариантов, не вошедших в основной проект, средства поддержки работы с версиями документов. Имеется возможность задавать для элемента проекта аналоги или родственные элементы, группировать элементы по различным критериям.

Система Party PLUS универсальна, максимально гибка для решения задач в различных отраслях инженерной деятельности, включая дорожную отрасль, и ориентирована на равноправную работу с различными САПР.

2.2. Математическое и методическое обеспечение

Математическое обеспечение – это совокупность аналитических и численных методов, математических моделейи алгоритмов выполнения проектных процедур. Применение тех или иных методов зависит от уровня развития САПР, свойств объектов проектирования и характера решаемых задач.

На начальном этапе развития САПР осуществлялась алгоритмизация ручных методов проектирования. Это способствовало сокращению времени проектирования, но качество проектных решений при этом практически не улучшалось.

Первые работы в области оптимизации проектных решений начались в 70-е годы и были связаны, в первую очередь, с проектированием продольного профиля. Работы Е.Л.Фильштейна и его метод "граничных итераций", В.И.Струченкова и его метод "проекции градиента" устанавливали положение проектной линии продольного профиля с учетом минимизации объемов земляных работ. Уже на этом этапе пришлось отказаться от представления проектной линии в виде последовательности прямых и дуг окружностей, а перейтина модель проектной линии в виде ломаной (линейного сплайна). Однако этиметоды не затрагивали общих (базовых) принципов изысканий и проектирования автомобильных дорог.

Переход в 90-е годына системную автоматизацию дорожного проектирования на основе цифровых моделей местности привел к существенному изменению всей технологии проектно-изыскательских работ.

В период "ручного" проектирования автомобильных дорог геодезические изыскания выполнялись "пикетным" методом. Суть этого метода заключается в следующих этапах работ :

· Полевое трассирование автомобильной дороги. При этом тангенциальный ход трассы является одновременно и магистральным ходом для всех последующих разбивочных работ, как на стадии изысканий, так и на стадии строительства.

· Планово-высотное закрепление трассы притрассовыми реперами и угловыми столбами.

· Разбивка пикетажа по трассе. Разбиваются и закрепляются не только пикетные точки, но и плюсовые (характерные) точки, связанные с изломами рельефа, пересечением водных потоков, инженерных коммуникаций и дорог.

· Двойное продольное геометрическое нивелирование трассы по принятому пикетажу.

· Съемка поперечников. При разбивке пикетажа по трассе одновременно осуществляют разбивку поперечников на всех пикетных и плюсовых точках. На прямолинейных участках трассы поперечники разбивают перпендикулярно к оси дороги, а на криволинейных участках – перпендикулярно касательной к трассе. Длину поперечника принимают такой, чтобыв его пределах разместились земляное полотно со всеми его конструктивными элементами.

Съемку поперечников осуществляют для построения продольного и поперечных профилей по принятой трассе для последующего проектирования земляного полотна, организации системы поверхностного водоотвода, подсчета объемов земляных работ и подготовки проектной документации.

Как следует из вышеприведенного, при "пикетном" методе изысканий изменение положения трассы и, следовательно, всех остальных проекций на проектной стадии не возможно. Таким образом, творческое начало проектной деятельности при этом методе ограничено ввиду предопределенности положения трассы дороги,что существенно сказывается на качестве конечных проектных решений. Заметим также, что в полевых условиях трассирования, в отсутствии компьютерной техники, инженер-изыскатель ограничивался элементарной схемой закругления трассы типа "клотоида- круговая кривая-клотоида", разбивку которойможно было произвести по соответствующим разбивочным таблицам.

Совершенно другую перспективу открывает "беспикетный" метод изысканий дорог, приоритетное применение которого стало возможным благодаря достижениям электронной тахеометрии и вычислительной техники.

Изыскания по этому методу состоят в следующем:

· В полосе возможных проектных решений, определенной на предпроектной стадии, закладывается и закрепляется магистральный ход (сеть ходов).

· Осуществляется тахеометрическая съемка полосы варьирования. При этом обеспечивается высокая производительность работ, посколькувсе измерения, необходимые для определения пространственных координат съемочных точек местности, выполняют комплексно с использованием одного геодезического прибора – тахеометра.

· С электронного тахеометра в компьютер считывается цифровая модель местности, которая является основой для всех последующих проектных процедур.

Заметим, что при "беспикетном" методе изысканий местоположение трассы определяется ни на стадии изысканий, а на стадии проектирования (в камеральных условиях). Это дает возможность варьировать местоположением трассы практически на любом этапе проектирования, применять для установления местоположения трассы и ее описаниясамые современные математические методы, в том числе и оптимизационные.

Учитывая трехмерную природу ЦММ и порождаемых ею поверхностей, появляется уникальная возможность пространственного трассирования дорог. В настоящее время методология и алгоритмы пространственного трассирования успешно разрабатываются в рамках САПР и скоро должны пополнить арсенал передовых технологий для дорожной проектной практики.

Из множества методов вычислительной математики, ставших доступными в условиях системной автоматизации проектных работ, остановимся на сплайнах и кривых Безье, применяемых при автоматизированном трассировании дорог в плане и продольном профиле.

Интерполяционные сплайны. Как известно, термин "сплайн" происходит от названия чертежного инструмента – тонкой металлической или деревянной линейки, которая изгибается так, чтобы проходить через заданные точки (x i , y i = f (x i )).

Тогда сплайн в положении равновесия принимает форму, которая минимизирует его потенциальную энергию. И в теории балок установлено, что эта энергия пропорциональна интегралу по длине дуги от квадрата кривизны сплайна:

при условиях S (x i ) = y i .

Рис. 2.4. Очертания сплайна как математического аналога линейки

Сплайны можно определить 2-мя способами: исходя из взаимного согласования простых функций и из решения задачи минимизации .

К сплайнам, определяемым по первому способу, можно отнести интерполяционные сплайны, которые необходимы для аналитического представления дискретно заданной информации.

Сглаживающие сплайны определяют чаще всего на основе 2-го способа. Именно сглаживающие сплайны должны найти самое широкое применение для оптимизации тех проектных решений, которые на начальной стадии рассмотрения носят, как правило, приближенный характер.

В проектной практике применяют, как правило, сплайны 1-й и 3-й степени. Сплайны 1-й степени (линейные) служат, во-первых, хорошей и доступной иллюстрацией к пониманию процессов построения сплайновых алгоритмов, во-вторых, достаточны для описания геометрических элементов дорог, представляемых в виде ломаных линий (магистральные и тангенциальные ходы, продольные и поперечные профили земли и т.д.).

Сплайны 1-й степени. Сплайны 1-й степени (ломаные) достаточно просты для понимания и,в то же, время, отражают основные свойства сплайн-функций. С математической точки зрения, сплайн 1-й степени – это кусочно-непрерывная функция, на каждом отрезке описываемая уравнением вида:

y = a i + b i x , (2.2)

где i – номер рассматриваемого интервала между узлами интерполяции x i и x i + 1 .

Как видно из формулы (2.2), на элементарноминтервале вид уравнения не отличается от общепринятого выражения прямой. В целом, уравнение ломаной (сплайна 1-й степени) в матричной форме можно записать как:

(2.3)

Эта система линейных уравнений не требует совместного решения и распадается на решения каждого уравнения в отдельности. Сплайн, решение которого связано с вычислением подсистем небольшой размерности, в данном случае – уравнений первого порядка, будем называть локальным.

Интерполяционный сплайн 1-й степени – это ломаная, проходящая через точки (x i , y i ). Для совокупности x i (i = 0, 1,… , n ) в интервале [a, b ] при этом должно выполняться условие x i 1 .

Используя полином Лагранжа, можно построить сплайн для интервала i – (i + 1):

(2.4)

Обозначение S 1 (x ) будем понимать как сплайн-функцию первой степени. Иначе уравнение (2.4) можно записать:

(2.5)

Если принять о форма уравнений (2.2) и (2.5) совпадает. Для построения алгоритма и составления процедуры построения и вычисления сплайна необходимо помнить всего лишь 2n +2 числа.

Сплайны 3-й степени. Сплайны 3-й степени (кубические) – это кусочно-непрерывная (непрерывность 1-й и 2-й производных) функция,состоящая из отрезков кубических парабол.

В настоящее время существует множество алгоритмов построения и расчета на ЭВМ кубических сплайнов, что обусловлено широким их использованием в решении технических задач, связанных синтерполяцией кривых и поверхностей.

При решении поставленной задачи между n узлами находятся n –1 фрагментов кубических кривых, а кубическая кривая, в свою очередь, определяется 4-мя параметрами. Поскольку значение функции и 1-й, 2-й производных (X s , X ¢ s , X ² s ) непрерывны во всех (n –2)-х внутренних узлах, то имеем 3(n –2) условий. В узлах X si = X i накладываются еще n условий на X s . Отсюда получаем 4n –6 условий. Для однозначного определения сплайна необходимо еще два условия, которые обычно связываются с так называемыми краевыми (граничными) условиями. Например, зачастую принимается просто . В этом случае получаем необходимое количество условий для определения естественного сплайна в виде:

Недостатком этого сплайна является то, что у него нет возможности изменения формы на участке между двумя жестко закрепленными интерполяционными точками. Лишь перемещением одной из точек интерполяции можно добиться некоторого изменения формы сплайн-кривой. При этом, в силу того, что кубический интерполяционный сплайн относится к нелокальным методам аппроксимации, его значения в точках, не совпадающих с узлами сетки Δ: a = x 0 x N = b , зависят от всей совокупности величин f i = f (x i ), i = 0, 1 ,…, N , и еще от значений краевых условий в точках a , b ; следовательно, желательный эффект изменения формы сплайн-кривой в одном месте интервала интерполяции может перекрываться нежелательными изменениями на всем остальном отрезке.

Однако методы борьбы с этим неприятным явлением известны. Это, во-первых, применение локальных интерполяций эрмитового типа, для которых значение сплайна на промежутке между узлами сетки зависит от значений функции и ее производных только из некоторой окрестности этого промежутка.

Во-вторых, интерполяция на основе рациональных сплайнов . Сохраняя одно из важнейших свойств кубической сплайн-интерполяции – простоту и эффективность реализации на ЭВМ – рациональные сплайны обладают возможностью приближения функций с большими градиентами или точками излома, при этом устраняя осцилляции, присущие обычному кубическому сплайну.

Рациональной сплайн-функцией называют функцию S (x ), которая на каждом промежутке интерполяции [x i , x i +1 ] записывается в виде

(2.7)

где t = (x-x i )/h i , h i = x i + 1 - x i , p i , q i – заданные числа, -1 p i , q i и при этом непрерывна вместе со своими первой и второй производными.

Из выражения (2.7) видно, что при p i = q i = 0, i = 0, 1,…, N –1, рациональный сплайн превращается в обычный кубический сплайн. Кроме того, можно считать, что сплайн первой степени также является частным случаем кубического сплайна, поскольку при всех p i , q i –>∞, i = 0, 1,…, N –1, справедливо S (x )–> f i (1– t )+ f i +1 t , x Î [x i , x i +1 ].

Таким образом, можно ожидать, что при использовании рациональных сплайнов путем надлежащего выбора свободных параметров p i , q i достигается высокая точность приближения на участках достаточной гладкости интерполируемой функции, а на участках с большими градиентами удовлетворяются требования качественного характера – выпуклости и монотонности.

Использование рациональной сплайн-функции позволяет описать единообразной зависимостью трассу с максимальным приближением к трассе, заданной традиционными элементами. Варьируя значениями коэффициентов p i и q i , имеется возможность полной имитации сплайн-функцией традиционных элементов плана трассы (прямой, круговой кривой, клотоиды).

"Слабым" местом в обосновании интерполяционных сплайнов как универсального математического аппарата при трассировании автомобильных дорог является допущение (условие), что узлы интерполяции назначены проектировщиком верно и при вычислении значений самого сплайна корректировке не подлежат.

Проанализируем, как на практике назначают местоположение узлов?

Если трассирование выполняется на основе карты или топографического плана, то проводится эскизная линия дороги, которая, по мнению проектировщика,является наиболее целесообразной при заданных условиях, "от руки" или с помощью механических приспособлений. Далее на эскизной линии фиксируются узлы интерполяции и замеряются их координаты. При этом не существует строго формализованных алгоритмов назначения местоположения узлов, есть лишь ряд практических советов. В частности: частое расположение узлов приводит к осцилляции кривизны такого сплайна ввиду неизбежной погрешности съемки координат узлов интерполяции; редкое их расположение вызывает существенные отклонения сплайн-трассы от порождающей ее эскизной линии.

Если трассирование выполняется по материалам полевых изысканий, то узлами сплайн-интерполяции, в этом случае, являются съемочные точки цифровой модели местностии погрешность в установлении их координат еще более очевидна ввиду наличия ошибок случайного и систематического характера.

Хорошего приближения сплайн-трассы к эскизному варианту и, в то же время, достаточной ее гладкости (плавности) можно добиться, как правило, лишь при многократной интуитивной корректировке проектировщиком узлов интерполяции.

Отсюда следует, что интерполяционные сплайны не являются математическим аппаратом оптимального трассирования, а лишь удобным и во многих задачах чрезвычайно эффективным инструментарием компьютерной обработки эскизно назначенных проектных решений. Качество таких решений существенно зависит от квалификации проектировщика.

Из вышеприведенных рассуждений вытекает, что постановка задачи трассирования на основе сплайнов должна предполагать следующее: узлы интерполяции эскизной трассы, а в случае реконструкции – исходной трассы, назначаются приближенно (с допуском) и точное их местоположение вычисляется по определенным закономерностям, учитывающим ряд основополагающих целевых установок самого процесса трассирования. В математической терминологии эту задачу можно отнести к задачам генерации геометрических форм по их грубым (приближенным) описаниям или задачам сглаживания.

Сглаживающие сплайны. В качестве математического аппарата для решения задачи трассирования дорог применяют сглаживающие сплайны, которые минимизируют функционал вида:

при ограничениях, например,

В записи функционала q = 1, 2; S (x i ) – сплайн; r i – вe совой коэффициент узла интерполяции; f 0 (x i ) – функция начального приближения.

Ограничения могут быть самыми разными и в случае трассирования дорог это: ограничения по допустимому радиусу, направлению трассыв плане иуклону в продольном профиле и т. п. При этом для сплайнов третьей степени должны быть добавлены так называемые "краевые условия" в точках x 0 = a , x n = b , обеспечивающие единственность построения сплайна. Например, это могут быть условия заданного начального и конечного направления проектируемого участка трассы S ¢ (x a ), S ¢ (x b ).

Из формы записи совместных условий (2.8) – (2.10) следует, что это – задача условной оптимизации.

Условие (2.9) позволяет смещать узлы интерполяции в установленном коридоре варьирования по заданному алгоритму. Признаком завершения итерационного процесса оптимизации служит выполнение условия(2.10) и означает, что на каждом дальнейшем итерационном шаге сдвиг любого из узлов не превысит величины d .

Если в условии (2.9) e i = 0, то вновь приходим к понятию интерполяционных сплайнов. Отсюда становится очевидным, что интерполяционные сплайны являются всего лишь частным случаем сглаживающих сплайнов.

Выбор сглаживающих сплайнов для дальнейшего подробного рассмотрения только в виде алгебраических полиномов и только 1-й и 3-й степени из всего многообразия обусловлен тем, что это наиболее простые в компьютерной реализации сплайны и, в то же время, имеют достаточные аппроксимативные свойства для описаний очертаний трассы и ее дифференциального анализа. В случае сплайнов 1-й степени этот анализ (1-еи 2-е производные) можно выполнить в виде разделенных разностей, а для сплайнов 3-й степени – непосредственным дифференцированием функции.

Функционал (2.8) хорошо моделирует задачу трассирования дорог при их реконструкции, которая состоит в том, чтобы добиться минимального отклонения проектируемой трассы от существующей, при одновременном условии по уклону и кривизне в продольном профиле,и по кривизне и скорости нарастания кривизны в плане согласно требованиям СНиП для данной категории дороги. Минимальное отклонение достигается за счет второго слагаемого,а условия по кривизне и уклону – первого слагаемого функционала (2.8).

При совместной минимизации двух слагаемых соотношение между ними регулируется весовыми коэффициентами r i , которые должны быть определенным образом нормированы.

Рассмотрим оптимизационные возможности функционала (2.8) в порядке возрастания его сложности.

Второе слагаемое функционала

известно как метод наименьших квадратов, и оно представляет собой функцию n +1-ой переменной S (x i ), i = 0, 1,…, n . Минимизация последней распадается в данном случае на минимизацию отдельных слагаемых независимо по каждой переменной.

В случае применения сплайнов 1-й степени первое слагаемоефункционала (2.8) будет записано, как

.(2.12)

Рассмотрим линейное приближение функционала длины дуги кривой

(здесь предполагается, что |S `(x )| мало). Очевидно, что решение задачи о минимизации функционала (2.13) совпадает с решением линеаризованной задачи об отыскании элемента минимальной длины. Полученное решение часто называют сплайном в выпуклом множестве.

После подстановки первой производной сплайна, совпадающей в данном случае с разделенной разностью, примет вид

(2.14)

где h i = x i +1 –x i .

Продифференцируем по переменной S (x i ) и сложим два последовательных слагаемых уравнения, содержащих эту неизвестную:

Приравняв полученную сумму нулю и выразив неизвестное S (x i ), получим

Здесь знак "=" представляет собой оператор присваивания. Если принять шаг интерполяции равномерным, то есть h i = const , то процесс оптимизации (пошаговых итераций) в графической интерпретации будет вполне понятен (рис. 3. 10).

Быстрая сходимость итерационного процесса позволяет рекомендовать этот метод для предварительной выработки проектных решений по проектной линии продольного профиля. В этом случае радиус кривизны и уклон проектной линии можно контролировать посредством построения первых и вторых разделенных разностей.

Рис. 2.5. Графическая интерпретация сглаживания линейного сплайна

Совместное рассмотрение суммы функционалов (2.12) и (2.14) дает нам рекуррентную формулу для оптимизации:

Сходимость итерационного процесса здесь, по сравнению с формулой (2.17), ниже и существенно зависит от величины r i . Весовой коэффициент r i позволяет замедлять или ускорять итерационный процесс в отдельных точках (узлах) и может, например для проектной линии, служить средством учета объема или стоимости возведения земляного полотна (дорожных работ) на участке единичной длины.

Рассмотрим первое слагаемое функционала (2.8) применительно к кубическим сплайнам:

Аналогично, решение задачи о сплайне в выпуклом множестве описывает (в линеаризованной постановке) положение, занимаемое упругой рейкой в коридоре ограничений. При замене второй производной второй разделенной разностью данный функционал примет вид:

где S ¢ (x a ), S ¢ (x b ) – одни из возможных краевых условий кубического сплайна. Применительно к проектной линии – это уклон в начальной (x a ) и конечной (x b ) точках проектируемого участка дороги.

Дифференцирование и суммирование уравнений даст нам соответствующие рекуррентные формулы, которые подробно приведены в специальной литературе .

Проектирование закруглений дороги в плане по классической схеме "клотоида – круговая кривая – клотоида" достаточно обоснованно с теоретических позиций, но на практике такая схема имеет множество изъянов и неудобств. Не вдаваясь в их суть, заметим, что если применить какую-либо функцию, которая могла бы одна в какой-то мере моделировать классическую схему (составную кривую), то с позиций удобства алгоритмизации и организации диалога "инженер-компьютер" это было бы достаточно эффективно.

Кривые Безье. В 1970г. Пьер Безье (французский математик) подобрал составляющие параметрического кубического многочлена таким образом, что их физический смысл стал очень наглядным и весьма подходящим для решения многих прикладных задач, в том числе и для целей проектирования дорог по принципу "тангенциального трассирования".

Формула Безье для кубического многочлена (n = 3) имеет следующий вид.

Пусть r i = , i = 0, 1, 2, 3, тогда для 0 ≤ t ≤ 1:

или в матричной форме:

Матрица M называется базисной матрицей кубической кривой Безье.

Кривая, представленная в форме Безье, проходит через точки r 0 и r 3 , имеет касательную в точке r 0 , направленную от r 0 к r 1 , и касательную в точке r 3 , направленную от r 2 к r 3 .

Прямые Р 0 Р 1 , Р 1 Р 2 и Р 2 Р 3 образуют фигуру, называемую характеристической (определяющей) ломаной, которая и предопределяет очертания кривой Безье (рис. 2.6).

Чтобы построить кривую, задают точки Р 0 и Р 3 , через которые должна проходить кривая, затем на желаемых касательных к этой кривой в точках Р 0 и Р 3 задают точки Р 1 и Р 2 . Изменяя длины отрезков Р 0 Р 1 и Р 2 Р 3 варьируют очертаниями кривой, придавая ей желаемую форму.

Рис. 2.6. Сегмент кубической кривой Безье

Главной контролируемой величиной при проектировании кривых в плане является радиус кривизны. Для того, чтобы вычислять радиус кривизны в каждой точке кривой, необходимо знать значения первой и второй производных радиуса-вектора точки. Для кубической кривой Безье первая и вторая производные вычисляют по нижеприведенным формулам:

Тогда кривизна (величина, обратная радиусу кривизны) вычисляется по формуле:

Помимо кривой Безье 3-го порядка (кубической) для целей трассирования дорог возможно применение также кривых Безье 2-го, 4-го и 5-го порядков. Соответствующие формулы для вычисления радиусов-векторов (и их производных) для этих кривых приведены ниже.

Кривая Безье 2-го порядка:

Кривая Безье 4-го порядка:

Кривая Безье 5-го порядка:

Объединением элементарных кривых Безье γ (1) , γ (2) ,…, γ ( l ) , у которых концевая точка кривой γ ( i ) , i = 1, 2,…, l – 1, совпадает с начальной точкой кривой γ ( i +1) , получается составная кривая Безье. Если каждая кривая γ ( i ) задается параметрическим уравнением вида

r = r ( i ) (t ), 0 ≤ t ≤ 1,

то это условие записывается так:

r ( i ) (1) = r ( i +1) (0), i = 1, 2,…, l –1.

В частности, для того, чтобы касательная составной кривой Безье, определяемой набором точек P 0 , P 1 , …, P m , изменялась непрерывно вдоль этой кривой, необходимо, чтобы тройки вершин P 3 i -1 , P 3 i , P 3 i +1 (i ≥ 1) были коллинеарными, то есть лежали на одной прямой (см. рис. 2.7).

Рис. 2.7. Составная кубическая кривая Безье

Пространственные кривые Безье. Выше, в рассуждениях о Безье-кривых понималось плоское расположение опорных точек трассы и, соответственно, рассматривалось представление только плоских кривых. В общем случаеопорные точки характеристической ломаной Безье задаются точками трехмерного пространства P i (x i , y i , z i ), i = 0, 1 ,…, m .

Тогда пространственная кривая Безье степени m определяется уравнением, имеющим следующий вид:

где – многочлены Бернштейна.

Матричная запись параметрических уравнений, описывающих пространственную кривую Безье, имеет вид:

0≤ t ≤ 1,

Более подробное изложение пространственного трассирования дорог приведено в гл. 5.

Методическое обеспечение – совокупность методических материалов, способствующих функционированию САПР.

Профессиональные САПР имеют, как правило, методическое сопровождение в виде "Справочных руководств" в бумажном виде. Главное меню таких систем также содержит раздел Справка (Помощь), в котором представлено описание основных проектных процедур.

В процессе эксплуатации САПР накапливается опыт рациональной выработки проектных решений на основе всей совокупности инструментальных средств системы. Этот опыт, как правило, излагается в форме "Практических руководств (пособий)" и способствует повышению эффективности и качества инженерного труда.

2.3. Информационное и организационное обеспечение

Информационное обеспечение – это совокупность средств и методов построения информационной базы для целей проектирования.

В состав информационного обеспечения входят: государственные стандарты (ГОСТ), строительные нормы (СН), строительные нормы и правила (СНиП), ведомственные строительные нормы (ВСН), типовые проектные решения по сооружениям и элементам автомобильных дорог. Все вышеперечисленные нормативно-информационные материалы существуют в бумажном виде или в виде электронных аналогов.

Другая часть информационного обеспечения существует только в электронном виде и является неотъемлемой частью САПР. Это библиотеки условных знаков (см. рис.2.8), классификаторы и коды, шаблоны типовых элементов в составе графических алгоритмов.

Рис. 2.8. Библиотечный условный знак для топографического плана

В процессе проектированияиспользуется также информация регионального характера. К ней относятся сведенияметеорологического и экологического характера, данные о рельефе и геологическом строении местности, сведения о местоположении карьеров грунтов и каменных материалов и др.

По другой классификации информацию можно подразделить на входную, промежуточную и выходную. Входная - совокупность исходных данных, необходимых для принятия проектного решения. Промежуточная -полученная ранее в результате решения одних задач и используемая для решения других, но не окончательные результаты решения задач. Выходная - полученная как результат решения задач и предназначенная для непосредственного использования в проектировании.

Организационное обеспечение представляет собой совокупность организационных и технических мероприятий, направленных на повышение эффективности функционирования САПР. К ним относятся: изменение организационной структуры проектной организации, ее отделов и подразделений; перераспределение функций между отделами; изменение технологии проектно-изыскательских работ и кадров состава сотрудников,повышение квалификации проектировщиковв сфере САПР, организация и функционирование систем управления качеством проектнойпродукции на основе международных стандартов ISO 9001:2000.

• Назад
• Вперёд

2.1. Требования, предъявляемые к техническому обеспечению

2.3. Периферийные устройства

2.5. Технические средства сбора полевых данных

2.6. Приборы, используемые при проведении инженерно-геологических изысканий

2.1. Требования, предъявляемые к техническому обеспечению

Техническое обеспечение САПР – совокупность технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования.

Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:

· выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее программное обеспечение ;

· взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы;

· взаимодействие между членами коллектива , работающими над общим проектом.

Первое из этих требований выполняется при наличии в САПР вычислительных машин и систем с достаточной производительностью и емкостью памяти.

Второе требование относится к пользовательскому интерфейсу и выполняется за счет включения в САПР удобных средств ввода/вывода данных и, прежде всего, устройств обмена графической информацией.

Третье требование обусловливает объединение технических средств САПР в вычислительную сеть.

2.2. Техническое обеспечение САПР

Основные функции технического обеспечения:

· Вычислительные и логические операции,

· Выдача текстовой, табличной и графической документации.

Техническое обеспечение ПК - физические составные части вычислительной машины. Основными блоками современного персонального компьютера являются системный блок, клавиатура и монитор .

Системный блок содержит электронные схемы для управления работой компьютера (микропроцессор, оперативную память и т. д.), блок питания и накопители информации (внешнюю память). Он является главным, в нем располагаются основные узлы ПК:

1. Электронные схемы, управляющие работой ПК: микропроцессор (схема, выполняющая все вычисления и обработку информации), оперативная память (из нее процессор берет программы и данные, в нее же помещает результаты, там находится программа, которая выполняется в данный момент) и контроллеры устройств (адаптеры – схемы, управляющие работой внешних устройств).

2. Блок питания – преобразует электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы.

3. Накопители для гибких дисков (дискет).

4. Накопитель на жестком магнитном диске (Винчестер).

Основные характеристики микропроцессора – тип или модель, определяющие производительность (Intel-8088, 80286, 80386, 80486, Pentium), тактовая частота, которая определяет, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду (измеряется в мегагерцах).

Клавиатура используется для ввода информации (чисел, текста, программ, команд) в компьютер.

Монитор (дисплей) служит для отображения вводимой информации и результатов расчета в текстовом или графическом виде.

К основному блоку ПК могут быть подключены различные периферийные устройства ввода-вывода, которые значительно расширяют его функциональные возможности.

2.3. Периферийные устройства

Периферийное оборудование включает в себя три группы устройств:

· устройства ввода и вывода информации, объединенные или связанные каналами связи с центральным процессором; мониторы; плоттеры; принтеры; сканеры; манипуляторы и т. д.

· устройства сбора, регистрации и обработки данных, не связанные с центральным процессором или периодически подключаемые к нему; аэро - и наземное стереосъемочное, стереофотограмметрическое оборудование; геодезическое оборудование для сбора топографической или других видов информации о местности (электронные теодолиты, электронные и компьютерные тахеометры, нивелиры, лазерные дальномеры, наземные устройства систем спутниковой связи GPS, геодезические лазерные сканеры и т. д.); инженерно-геологическое и геофизическое оборудование для инженерно-геологической разведки и т. д.;

· обслуживающие устройства: хранилища, бумагорезательные, копировальные машины, переплетные мастерские и т. д.

Принтер - устройство для вывода информации на бумажные носители. В настоящее время используются следующие типы принтеров: матричные, струйные и лазерные.

В матричных принтерах используется ударная техника печати за счет прижатия к бумаге красящей ленты. В струйных принтерах изображение формируется струйками чернил, подающихся через форсунку. В лазерных принтерах используется принцип ксерографии. Изображение переносится на бумагу с помощью специального барабана, к которому притягиваются частицы красящего порошка. Барабан электризуется лучом лазера по команде компьютера.

Печатающая головка матричного принтера представляет собой матрицу или вертикальный ряд тонких металлических стержней (иголок). Каждая иголка управляется отдельно и движется самостоятельно. Головка движется вдоль строки, и иголки ударяют по бумаге через красящую ленту. Так формируется изображение, которое представляет матрицу точек. Матричные принтеры дают возможность печатать графики, чертежи, схемы, рисунки, символы и буквы различных начертаний. Разрешающая способность принтера определяется числом иголок в матрице. Существуют 9-, 18-, 24- и 48-игольные модели принтеров. Чаще всего используются 9-игольные, они наиболее дешевые. Для повышения качества печати задают несколько проходов печатающей головки по одной строке. Скорость печати от 100 до 500 символов в секунду.

Струйные принтеры работают за счет распыления на бумагу чернил специального состава и работают практически бесшумно. Качество печати приближается к типографскому, скорость печати как у матричных принтеров. Периодически производится замена баллончика с чернилами.

https://pandia.ru/text/78/493/images/image005_15.jpg" align="left" width="133" height="151">Принтеры дают возможность выводить на печать графики, чертежи, схемы, символы и буквы различных начертаний, что позволяет представлять в полном объеме результаты автоматизированного проектирования в удобной для восприятия форме, а также оформлять все виды пояснительных записок, отчетов.

Манипулятор мышь (координатный манипулятор)- является важнейшим средством ввода информации. В современных программных продуктах, имеющих сложную графическую оболочку, мышь является основным инструментом управления программой.

По принципу действия мыши делятся на механические, оптико-механические и оптические.

Подавляющее число компьютерных мышек используют оптико-механический принцип кодирования перемещения. С поверхностью стола соприкасается тяжелый, покрытый резиной шарик сравнительно большого диаметра. Ролики, прижатые к поверхности шарика, установлены на перпендикулярных друг другу осях с двумя датчиками. Датчики, представляющие собой оптопары (светодиод-фотодиод), располагаются по разные стороны дисков с прорезями. Порядок, в котором освещаются фоточувствительные элементы, определяет направление перемещения мыши, а частота приходящих от них импульсов - скорость. Хороший механический контакт с поверхностью обеспечивает специальный коврик.

Более точного позиционирования курсора позволяет добиться оптическая мышь. Для нее используется специальный коврик, на поверхности которого нанесена мельчайшая сетка из перпендикулярных друг другу темных и светлых полос. Расположенные в нижней части мыши две оптопары освещают коврик и по числу пересеченных при движении линий определяют величину и скорость перемещения. Оптические мыши не имеют движущихся частей и лишены такого присущего оптико-механическим мышам недостатка, как перемещение курсора мыши рывками из-за загрязнения шарика. Разрешающая способность применяемого в мыши устройства считывания координат составляет 400 dpi (Dot per Inch точек на дюйм) и выше, превосходя аналогичные значения для механических устройств.

Для оптимального функционирования мышь должна передвигаться по ровной поверхности. Лучше всего подходят специальные коврики (Mouse Pad). Указатель мыши передвигается по экрану синхронно с движением мыши по коврику. Устройством ввода мыши являются кнопки (клавиши).

К основным тенденциям развития современных мышей можно отнести постепенный переход на шину USB, а также поиски в области эргономических усовершенствований. К ним можно отнести беспроводные (Cordless) мыши, работающие в радио - или инфракрасном диапазоне волн, а также мыши с дополнительными кнопками. Наиболее удачными решениями являются наличие между двумя стандартными кнопками колесика (мышь Microsoft IntelliMouse) или качающейся средней кнопки (мыши Genius NetMouse NetMouse Pro), которые используются для быстрой прокрутки документа под Windows.

Графопостроители (плоттеры) - устройства, обеспечивающие графическое представление результатов проектирования в виде чертежей и схем. Необходимость использования этого устройства возникает при вычерчивании схем и чертежей больших форматов (перспективные изображения, результаты решения геодезических задач и т. д.).

Графопостроители (плоттеры) обеспечивают высококачественное графическое представление информации на бумаге, кальке, пленке. Графопостроители – механические чертежные программно-управляемые устройства, снабженные подвижной кареткой с закрепленными на ней специальными пишущими перьями. Пишущие элементы – фитильные (фломастеры), шариковые или иконографические (трубчатые рейсфедеры, заправленные специальной тушью) элементы. Многоперьевые графопостроители могут автоматически менять рабочее перо, что позволяет получать многоцветные изображения. Устройства дорогие, но дешевле, чем цветные принтеры.

Конструктивно графопостроители делят на два класса – планшетные и рулонные.

В планшетных бумага закреплена неподвижно на плоской поверхности, перо перемещается в двух направлениях. В рулонных графопостроителях бумага перемещается в продольном направлении (на барабане), а перо движется в одном (поперечном) направлении.

Плоттеры второго класса более компактные и дешевые. Стандарт в области плоттеров задает фирма Hewlett-Packard. Этой фирмой разработан графический язык HPGL.

Наименее качественные чертежи получаются при работе с шариковыми узлами, более качественное изображение дают фитильные перья и трубчатые (керамические) пишущие узлы обеспечивают самое высокое качество чертежей.

Для подключения плоттера к ПК необходим специальный кабель, а в состав программного обеспечения ПК должна быть включена программа-драйвер языка HPGL. В настоящее время существует большое число графических пакетов, которые могут использовать плоттер.

Сканер - устройство для считывания с листа-оригинала текстов, графических изображений. Программное обеспечение, ориентированное на работу со сканерами, преобразовывает считанную информацию к виду, пригодному для использования в текстовых редакторах или издательских системах.

Принцип действия устройства состоит в следующем: сканер освещает оригинал, светочувствительный датчик делает замеры интенсивности отраженного света с определенной частотой (сканирует изображение). Чем выше частота замеров, тем выше разрешающая способность сканера. Значение интенсивности отраженного света преобразуется в двоичный код, который и используется компьютером при последующей обработке.

Чем выше разрешающая способность сканера, тем большие ресурсы ПК требуются для работы с ним. В настоящее время на мировом рынке представлено не менее 150 видов сканеров производства фирм Европы, США, Японии и большой выбор программного обеспечения к ним.

В соответствии с функциональными возможностями и устройством сканеры можно разделить на настольные и портативные (ручные). Они могут быть черно-белые и цветные.

По внешнему виду ручной сканер напоминает увеличенный манипулятор мышь. Сканирование осуществляется путем перемещения вручную сканера по поверхности оригинала. Качество изображения зависит от опыта оператора. Ширина полосы сканирования от 100 до 150 мм, программное обеспечение дает возможность «Склеивать» общее изображение из отдельных полос.

Настольные сканеры – устройства, которые позволяют считывать в автоматическом режиме стандартную страницу (формат А4) информации. Конструктивно они выполнены в виде планшета, похожего на множительный аппарат. Планшетные сканеры получили более широкое распространение.

Программное обеспечение позволяет распознавать символы, шрифты, обрабатывать тексты и графические изображения. При приобретении программного обеспечения необходимо обращать внимание на совместимость форматов хранения информации, чтобы сканированное изображение можно было использовать для работы с текстовым и графическим редакторами.

Средства связи – это устройства, обеспечивающие связь между компьютерами, а также между компьютерами и периферийными устройствами, телефонная, радио - и другие виды связи между пользователями и компьютерами, электронная почта и т. д.

При проведении поисковых исследований, анализе научно-технической информации, для проектирования дорог и обмена результатами работы используются модемы и телефаксы . Эти устройства позволяют передавать информацию на большие расстояния от одного компьютера к другому.

Модем предназначен для передачи информации на большие расстояния от одного компьютера к другому. Слово модем происходит от двух слов: модуляция / демодуляция.

Принцип работы устройства заключается в следующем: модем принимает данные от ПК, разделяет их на команды и информацию. Команды выполняются, а информация преобразуется в сигнал и поступает в канал связи. На противоположном конце линии данные поступают из канала связи на другой модем, демодулируются в цифровой сигнал и пересылаются в ПК.

Скорость передачи информации измеряется в Бодах (бит в секунду) и для различных моделей составляет от 300 до 9600 бод. Правила обмена информацией называются протоколом обмена. Пользователь их знать не обязан, их знают те, кто устанавливает аппаратуру. Принимающий и передающий модемы должны быть совместимы по протоколу обмена.

Телефакс используется для передачи копий документов. Устройство представляет собой блок, в который входят сканер (для считывания документов), передающий и принимающий модемы, принтер для распечатки бумажных копий документов. Для компьютерной телефаксной системы в состав устройства кроме вышеназванных компонентов входи и ПК.

Источники бесперебойного питания . На надежность работы ПК влияет стабильность сети электропитания. Сбои в сети приводят к сбоям в работе ПК, потере информации, выходу ПК из строя. Для этого ПК необходимо комплектовать стабилизаторами типа UPS (Uninterruptible Power Source). Он защищает от сбоев электропитания и позволяет закончить работу при внезапном полном отключении питания (до 15 мин после выключения).

Открытая архитектура персонального компьютера в принципе позволяет подключать к нему всевозможные приборы, используемые при проведении научных исследований и экспериментов для ввода результатов измерения в специальные файлы в памяти компьютера. Однако, это далеко не простая задача. Она может стать отдельным этапом экспериментальных исследований, на котором необходимо решить задачу кодировки поступающих сигналов, преобразования их в двоичный код, а также разработать программное обеспечение, позволяющее переводить эту информацию в форму, пригодную для ее обработки с помощью выбранных программных средств

2.4. Локальные вычислительные сети

В САПР небольших проектных организаций, насчитывающих не более единиц-десятков компьютеров, которые размещены на малых расстояниях один от другого (например, в одной или нескольких соседних комнатах), объединяющая компьютеры сеть является локальной. Локальная вычислительная сеть (ЛВС), или LAN (Local Area Network), имеет линию связи, к которой подключаются все узлы сети.

В более крупных по масштабам проектных организациях в сеть включены десятки-сотни и более компьютеров, относящихся к разным проектным и управленческим подразделениям и размещенных в помещениях одного или нескольких зданий. Такую сеть называют корпоративной. В ее структуре можно выделить ряд ЛВС, называемых подсетями, и средства связи ЛВС между собой. В эти средства входят коммутационные серверы (блоки взаимодействия подсетей). Если коммутационные серверы объединены отделенными от ЛВС подразделений каналами передачи данных, то они образуют новую подсеть, называемую опорной (или транспортной), а вся сеть оказывается частью иерархической структуры.

Если здания проектной организации удалены друг от друга на значительные расстояния (вплоть до их расположения в разных городах), то корпоративная сеть по своим масштабам становится территориальной сетью (WAN - Wide Area Network). В территориальной сети различают магистральные каналы передачи данных (магистральную сеть), имеющие значительную протяженность, и каналы передачи данных, связывающие ЛВС (или совокупность ЛВС отдельного здания или кампуса) с магистральной сетью и называемые абонентской линией или соединением "последней мили".

Обычно создание выделенной магистральной сети, т. е. сети, обслуживающей единственную организацию, обходится для этой организации слишком дорого. Поэтому чаще прибегают к услугам провайдера, т. е. фирмы, предоставляющей телекоммуникационные услуги многим пользователям. В этом случае внутри корпоративной сети связь на значительных расстояниях осуществляется через магистральную сеть общего пользования. В качестве такой сети можно использовать, например, городскую или междугородную телефонную сеть или территориальные сети передачи данных. Наиболее распространенной формой доступа к этим сетям в настоящее время является обращение к глобальной вычислительной сети Internet.

Для многих корпоративных сетей возможность выхода в Internet является желательной не только для обеспечения взаимосвязи удаленных сотрудников собственной организации, но и для получения других информационных услуг. Развитие виртуальных предприятий, работающих на основе CALS-технологий, с необходимостью подразумевает информационные обмены через территориальные сети, как правило, через Internet. Нужно, однако, отметить, что использование сетей общего пользования существенно усложняет задачу обеспечения информационной безопасности .

Структура ТО САПР для крупной организации представлена на рис. 3. Здесь показана типичная структура крупных корпоративных сетей САПР, называемая архитектурой клиент-сервер. В сетях "клиент-сервер" выделяется один или несколько узлов, называемых серверами, которые выполняют в сети управляющие или общие для многих пользователей проектные функции, а остальные узлы (рабочие места) являются терминальными - их называют клиентами, в них работают пользователи. В общем случае сервером называют совокупность программных средств, ориентированных на выполнение определенных функций. Но если эти средства сосредоточены на конкретном узле вычислительной сети, то тогда понятие "сервер" относится именно к узлу сети.

Сети "клиент-сервер" различают по характеру распределения функций между серверами, - другими словами, их классифицируют по типам серверов. Различают файл-серверы для хранения файлов, разделяемых многими пользователями, серверы баз данных АС, серверы приложений для решения конкретных прикладных задач, коммутационные серверы (называемые также блоками взаимодействия сетей или серверами доступа) для взаимосвязи сетей и подсетей, специализированные серверы для выполнения определенных телекоммуникационных услуг, например серверы электронной почты.

Локальные ВС имеют открытую архитектуру, обеспечивающую возможность подключения к сети любых других ЛВС, в том числе и крупных сетей ЭВМ. Основное достоинство ЛВС - низкая стоимость системы передачи данных.

https://pandia.ru/text/78/493/images/image013_6.jpg" width="479" height="320 src=">

Локальные вычислительные сети САПР должны обеспечивать: использование режимов пакетной и диалоговой обработки, разделения времени, виртуальной памяти; экономичную обработку информации по принципу "наиболее важные процессы САПР выполняются техническими средствами с развитым программным обеспечением и высокой производительностью, наименее ответственные - на дешевых мини - и микро-ЭВМ"; высокую надежность и достоверность функционирования, высокую производительность; применение разнообразного проблемно-ориентированного ПО, централизованных и локальных БД с необходимым объемом памяти; работу с автоматизированными рабочими местами различного назначения и с другим специализированным оборудованием; централизованную и децентрализованную обработку информации.

Использование ЛВС позволяет создать САПР нового поколения, объединяющие контрольно-измерительные комплексы и места сбора информации с автоматизированными рабочими местами проектировщиков и т. д.

Основное назначение ЛВС - распределение ресурсов ЭВМ (программ, совокупности периферийных устройств, терминалов, памяти) для эффективного решения задач автоматизированного проектирования.

Локальные вычислительные сети классифицируют:

· по топологическим признакам: иерархической, кольцевой и звездообразной конфигурации, конфигурации типа "общая шина";

Принцип работы: измерение времени прохождения лазерного луча от излучателя до отражающей поверхности и обратно до приемника. Путем деления скорости прохождения лазерного луча на время прохождения лазерного луча определяется расстояние до объекта.

В зависимости от модели тахеометра также могут использоваться отражающие поверхности: поверхность белого цвета или отражающая пленка. Также работа прибора может вестись по призмам.

Дальность измерений:

На отражающую поверхность (в зависимости от модели) м;

По призмам до 7 км.

Точность измерения углов – до 1 сек.

На Российском рынке широко представлены приборы фирм Trimble, Nikon, Sokkia.

Нивелирование на основе лазерных построителей плоскостей

Среди существующего в настоящее время многообразия лазерной геодезической техники наиболее эффективно применение для изысканий дорог лазерных построителей плоскостей.

Опыт этого вида изысканий накоплен в научно-исследовательском институте проблем дорожного транспортного комплекса РГСУ. Компьютерная лазерная система позволяет с геодезической точностью определять отметки точек поперечных сечений с шагом 10 см. Прибор оснащен специальной тележкой со встроенным счетчиком пути и имеет электронные сегменты с матричной схемой расположения фотодиодов. Отдельно располагаемый излучатель генерирует луч в видимом спектре, который, попадая на определенный сегмент и фотодиод прибора, вызывает срабатывание соответствующей цепи электронной схемы и записывается в оперативную память. Частота регистрируемых точек регулируется и составляет 100-300 точек на поперечник, обуславливая отображение фактической поверхности в виде плотной последовательности точек (земляного полотна).

После конвертации полученной информации в цифровую модель системы автоматизированного проектирования можно приступать к процессу проектирования на основе полной информации об очертаниях существующей поверхности ремонтируемой (модернизируемой) автомобильной дороги.

Лазерные сканеры

Назначение: создание сети опорных пунктов, 3D-сканирование, 3D-моделирование, поиск пересечений и проведение измерений.

Область применения: промышленное и гражданское строительство , маркшейдерское обеспечение горных работ.

Принцип работы: аналогичен принципу работы безотражательного тахеометра.

Работа лазерного сканера основана на измерении наклонной дальности D от источника измерения (лазера) до наземного объекта (дороги), являющегося препятствием на пути распространения лазерного луча. Такое препятствие вызовет появление отраженного импульса, который будет зарегистрирован приемником, а по времени задержки от момента излучения зондирующего импульса до регистрации отраженного импульса можно определить дальность D.

Одновременно определяются координаты пространственного положения носителя X, Y,Z за счет использования системы спутниковой навигации, а также углы ориентации зондирующего луча.

Знание этих 6-ти параметров внешнего ориентирования позволяет математически перейти к координатам точки, вызвавшей отражение. Основным результатом работы лазерного локатора является получение лазерно-локационного изображения или «облака» лазерных точек. Отметим важную деталь – лазерно-локационное изображение всегда дискретно.

Преимущества: лазерное сканирование может применяться там, где невозможна тахеометрическая съемка и безопасность измерений.

Результаты: получение в кратчайшие сроки полноценных сведений о происходящих деформациях зданий и сооружений, земной коры и кровли подземных выработок, информации о смещении оползней и обрушений.

Измерения проводятся в той же системе координат, в которой ведется документация, но может быть произведено и преобразование координат.

Лазерное сканирование в архитектуре: фасадные съемки, трехмерные модели зданий и внутренних помещений.

Виды лазерного сканирования:

1. Наземное лазерное сканирование.

Технология наземного лазерного сканирования: измерение расстояний до большого количества точек, расположенных на снимаемом объекте. Необходима прямая видимость. Данные сканирования с разных точек сводятся в единое трехмерное “облако точек”. По результатам сканирования составляется трехмерная модель, конвертируемая в CAD и ГИС-приложения.

Использование модели: создание любых сечений, измерение геометрических параметров, создание моделей отдельных элементов.

Существует несколько моделей лазерного сканирования наземного базирования. Для съемки с больших расстояний (до 76 м) крупных объектов и поверхностей и при отрицательных температурах подходит сканер ILRIS-3D Канадской фирмы Optech. Он применялся при съемке храма в Москве, Съемке горных склонов в Башкортостане и на Кольском полуострове, при работах на Норильский никель, при фасадных съемках в Самаре и Калининграде.

2. Подземное лазерное сканирование

Cavity Monitoring System (система мониторинга полостей) (той же фирмы).

Назначение: съемка недоступных полостей (очистных камер, рудоспусков).

GPS -съемка (системы спутниковой навигации (позиционирования)). Этот вид съемки, в последнее время, достаточно массово применяется при изысканиях автомобильных дорог. Однако, в виду того, что прибор (режим «кинематика ») устанавливается на автомобиль (подрессоренная часть), точность таких измерений остается низкой. В режимах «статика» и «stop and go» GPS является достойной альтернативой тахеометрической съемке.

Существенным недостатком этого метода является и то, что в закрытой местности (залесенность, застройка, тоннели) показания GPS могут давать сбои и отказы. Избежать этого можно совместным применением спутниковых и гироскопических систем.

Информационно-вычислительные центры" href="/text/category/informatcionno_vichislitelmznie_tcentri/" rel="bookmark">вычислительным центром и станции загрузки данных на борт спутников.

Спутники проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранная на станциях слежения информация об орбитах спутников используется для прогнозирования точного положения спутников на орбите. Вся совокупность сведений о траекториях всех спутников называется альманахом и загружается на все спутники сразу.

В спутниковых системах GPS и ГЛОНАСС имеется по 24 основных работающих и несколько резервных спутников (рис. 3.73), которые равномерно распределены в околоземном пространстве на высотах около 20 тыс. км в 6 и 3 орбитальных плоскостях соответственно (рис. 3.74). В системе Galileo будет 27 основных и 3 резервных спутника, расположенных на высоте 23 200 км.

Область применения GPS-приемников: геодезия, геодинамика, земельный кадастр , землеустройство, управление транспортом.

Назначение: проведение топографической съемки, сбор данных для ГИС приложений, создание опорных геодезических сетей.

Способ работы: пользователи ГНСС с помощью GPS-приемников принимают сигналы от навигационных космических аппаратов и определяют собственное местоположение. При проведении геодезических изысканий они используются обычно только для съемки отдельных ключевых точек на местности, например, тех, где устанавливаются тахеометры. Это связано с низкой скоростью работы спутниковых приемников и их невысокой точностью.

Приемники бывают кодовыми и кодово-фазовыми. Первые из них являются очень компактными (умещаются на ладони) и совмещают в одном корпусе приемник, антенну и источник питания. Такие приемники часто называют навигационными, т. к. они выдают относительно неточные координаты. В целом эти приемники достаточно дешевы и потому доступны для массового применения.

Фазово-кодовые приемники позволяют достигать гораздо большей точности координат. Они также являются очень компактными, но с отдельной выносной антенной; часто имеют внешние аккумуляторы и отдельные клавиатуру и дисплей. В случае, когда фазово-кодовые приемники работают в паре со вторым приемником в так называемом дифференциальном режиме, то возможно достижение точности до 1-2 сантиметров.

В силу определенных особенностей определения координат приемники глобальных систем позиционирования могут измерять координаты одной точки достаточно долго. Чем больше времени отводится на съемку, тем точнее результат. В навигационных приемниках определение координат выполняется достаточно быстро (секунды), однако точность составляет метры и даже десятки метров. В геодезических приемниках время установления координат может составлять от 5 минут до одного часа. Причем время и точность съемки существенно зависит от количества доступных на небосводе спутников.

Одно из применений навигационных приемников – это съемка осей автомобильных дорог для нанесения на мелкомасштабные карты. Одним из недостатков работы GPS-приемников в движении является снижение точности измерений и возможная временная потеря видимости некоторых спутников, например, при проезде автомобиля с GPS-приемником через густой лес, в низине или в тоннеле.

GPS-приемники бывают:

1) одночастотный (точность до 1 см/км);

2) двухчастотный (точность до 1 мм/км).

GPS-приемники снабжаются контроллерами – прочными карманными компьютерами (накопителями данных) для работы в полевых условиях. Для них разрабатывается специальное программное обеспечение, работающее в OS Windows.

Наиболее распространены GPS-приемники фирмы Trimble, но также существуют и отечественные приборы.

Спутниковые снимки

Для решения задач проектирования могут быть использованы спутниковые снимки. Они могут быть в разных вариантах: черно-белые, цветные и т. д.

Виды изображений:

1) базовое – для выполнения фотограмметрических процессов: ортоисправления и трехмерного моделирования;

2) стандартное – для визуального анализа, классификации объектов , основы для ГИС и картографических приложений;

3) ортоисправленное – подготовленное для ГИС и картографических приложений, с высокой степенью геометрической точности.

Применение: картографирование, землепользование , сельское и лесное хозяйство , мониторинг окружающей среды / стихийные бедствия.

2.6. Приборы, используемые при проведении инженерно-геологических изысканий

Инженерно-геологические изыскания должны выполняться с применением прогрессивных методов работ, современных приборов и оборудования, обеспечивающих повышение производительности труда, улучшение качества и сокращение продолжительности изысканий.

Основной объем изыскательских работ для построения геолого-литологических разрезов, отбора образцов грунта, изучения их свойств, изучения гидрогеологических условий выполняется бурением скважин .

Кроме буровых и шурфовочных работ, для изучения инженерно-геологических условий проложения проектируемой дороги, применяют геофизические методы и георадарные технологии.

Георадар – цифровой, портативный, геофизический прибор , предназначенный для решения широкого спектра геотехнических , геологических, экологических, инженерных и других задач, где есть необходимость оперативного мониторинга среды, получения разрезов грунта, не требующих бурения или раскопок.

Работа георадара основана на проникновении электромагнитной волны короткой продолжительности в многослойные среды, приеме и преобразовании отраженного сигнала.

По результатам георадарного сканирования получается непрерывная волновая картинка (радарограмма), которая по специальной программе обрабатывается и интерпретируется в разрез среды.

Преимущество: непрерывный разрез, неразрушающий и экологически чистый метод.

Область применения:

1) Инженерно-геологические изыскания.

2) Разведка и оценка запасов строительных материалов в карьерах.

3) Обследование автомобильных дорог:

Толщины слоев дорожной одежды;

Мощность и типы грунтов земляного полотна и подстилающего основания;

Однородность материалов дорожной одежды и грунта земляного полотна;

Локальные ослабления;

Участки инфильтрации поверхностных и подземных вод;

Пространственное геометрическое очертание водоупоров;

Положение подземных коммуникаций;

Глубина промерзания и оттаивания грунтов;

Местоположение кривой скольжения на оползневых участках;

Положение уровня грунтовых вод.

4) Контроль качества выполненных работ на автодороге: состояние земляного полотна, толщины слоев дорожной одежды.

5) Обследование плотин и гидроузлов.

6) Обследование взлетно-посадочных полос и перронов аэродромов.

7) Обследование зданий.

Георадары работают при температурах от -40˚С до +40˚С. Приборы компактные (массой 1,5-15 кг).

Высокая производительность в полевых условиях (от 5 до 30 км за смену), однако, в камеральных условиях – м разреза.

При использовании георадаров необходимы контрольные буровые работы или шурфование. С 2003 года георадары используются в ГП РосдорНИИ.

Для обработки и интерпретации данных георадиолокации (георадара) специально предназначена пограмма RadExplorer. Оптимизированный для георадиолокации набор возможностей, удобный и понятный русскоязычный интерфейс позволяют проводить обработку георадарных данных быстро, просто и эффективно.

https://pandia.ru/text/78/493/images/image026_3.jpg" width="500" height="342 src=">

Материал из ПИЭ.Wiki

Система автоматизированного проектирования (САПР) - это организационно-техническая система, состоящая из совокупности комплекса средств автоматизации проектирования и коллектива специалистов подразделений проектной организации, выполняющая автоматизированное проектирование объекта, которое является результатом деятельности проектной организации.

Введение в САПР

Автоматизация проектирования занимает особое место среди информационных технологий. Во первых, автоматизация проектирования - синтетическая дисциплина, ее составными частями являются многие другие современные информационные технологии. Так, техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные компьютеры и рабочие станции.

Математическое обеспечение САПР отличается богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта. Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных программных систем, основанных на операционных системах Unix, Windows 95/NT, языках программирования. С, С++, Java и других, современных CASE технологиях, реляционных и объектно-ориентированных системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и обмена данными в компьютерных средах.

Во вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами САПР требуется практически любому инженеру разработчику. Компьютерами насыщены проектные подразделения, конструкторские бюро и офисы. Работа конструктора за обычным кульманом, расчеты с помощью логарифмической линейки или оформление отчета на пишущей машинке стали анахронизмом. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использования, оказываются неконкурентоспособными как из за больших материальных и временных затрат на проектирование, так и из за невысокого качества проектов. Появление первых программ для автоматизации проектирования за рубежом и в СССР относится к началу 60 х гг. Тогда были созданы программы для решения задач строительной механики, анализа электронных схем, проектирования печатных плат.

Дальнейшее развитие САПР шло по пути создания аппаратных и программных средств машинной графики, повышения вычислительной эффективности программ моделирования и анализа, расширения областей применения САПР, упрощения пользовательского интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта.

К настоящему времени создано большое число программно методических комплексов для САПР с различными степенью специализации и прикладной ориентацией. В результате автоматизация проектирования стала необходимой составной частью подготовки инженеров разных специальностей; инженер, не владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может считаться полноценным специалистом.

Подготовка инженеров разных специальностей в области САПР включает базовую и специальную компоненты. Наиболее общие положения, модели и методики автоматизированного проектирования входят в программу курса, посвященного основам САПР, более детальное изучение тех методов и программ, которые специфичны для конкретных специальностей, предусматривается в профильных дисциплинах.

Основные принципы построения САПР

Разработка САПР представляет собой крупную научно-техническую проблему, а ее внедрение требует значительных капиталовложений. Накопленный опыт позволяет выделить следующие основные принципы построения САПР.

1. САПР - человеко-машинная система. Все созданные и создаваемые системы проектирования с помощью ЭВМ являются автоматизированными, важную роль в них играет человек - инженер, разрабатывающий проект технического средства.

В настоящее время и по крайней мере в ближайшие годы создание систем автоматического проектирования не предвидится, и ничто не угрожает монополии человека при принятии узловых решении в процессе проектирования. Человек в САПР должен решать, во-первых, все задачи, которые не формализованы, во-вторых, задачи, решение которых человек осуществляет на основе своих эвристических способностей более эффективно, чем современная ЭВМ на основе своих вычислительных возможностей. Тесное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирования - один из принципов построения и эксплуатации САПР.

2. САПР - иерархическая система, реализующая комплексный подход к автоматизации всех уровней проектирования. Иерархия уровней проектирования отражается в структуре специального программного обеспечения САПР в виде иерархии подсистем.

Следует особо подчеркнуть целесообразность обеспечения комплексного характера САПР, так как автоматизация проектирования лишь на одном из уровней оказывается значительно менее эффективной, чем полная автоматизация всех уровней. Иерархическое построение относится не только к специальному программному обеспечению, но и к техническим средствам САПР, разделяемых на центральный вычислительный комплекс и авто­матизированные рабочие места проектировщиков.

3. САПР - совокупность информационно-согласованных подсистем. Этот очень важный принцип должен относиться не только к связям между крупными подсистемами, но и к связям между более мелкими частями подсистем. Информационная согласованность означает, что все или большинство возможных последовательностей задач проектирования обслуживаются информационно согласованными программами. Две программы являются информа­ционно согласованными, если все те данные, которые представляют собой объект переработки в обеих программах, входят в числовые массивы, не требующие изменений при переходе от одной программы к другой. Так, информационные связи могут проявляться в том, что результаты решения одной задачи будут исходными данными для другой задачи. Если для согласования программ требуется существенная переработка общего массива с участием человека, который добавляет недостающие параметры, вручную перекомпоновывает массив или изменяет числовые значения отдельных параметров, то программы информационно не согласованы. Ручная перекомпоновка массива ведет к существенным временным задержкам, росту числа ошибок и поэтому уменьшает спрос на услуги САПР. Информационная несогласованность превращает САПР в совокупность автономных программ, при этом из-за неучета в подсистемах многих факторов, оцениваемых в других подсистемах, снижается качество проектных решений.

4. САПР - открытая и развивающаяся система. Существует, по крайней мере, две веские причины, по которым САПР должна быть изменяющейся во времени системой. Во-первых, разработка столь сложного объекта, как САПР, занимает продолжительное время, и экономи­чески выгодно вводить в эксплуатацию части системы по мере их готовности. Введенный в эксплуатацию базовый вариант системы в дальнейшем расширяется. Во-вторых, постоянный прогресс техники, проектируемых объектов, вычислительной техники и вычислительной математики приводит к появлению новых, более совершенных математических моделей и программ, которые должны заменять старые, менее удачные аналоги. Поэтому САПР должна быть открытой системой, т. е. обладать свойством удобства использования новых методов и средств.

5. САПР - специализированная система с максимальным использованием унифицированных модулей. Требования высокой эффективности и универсальности, как правило, противоречивы. Применительно к САПР это положение сохраняет свою силу. Высокой эффективности САПР, выражаемой прежде всего малыми временными и материальными затратами при решении проектных задач, добиваются за счет специализации систем. Очевидно, что при этом растет число различных САПР. Чтобы снизить расходы на разработку многих специализированных САПР, целесообразно строить их на основе макси­мального использования унифицированных составных частей. Необходимым условием унификации является поиск общих черт и положений в моделировании, анализе и синтезе разнородных технических объектов. Безусловно, может быть сформулирован и ряд других принципов, что подчеркивает многосторонность и сложность проблемы САПР.

Системный подход к проектированию

Основные идеи и принципы проектирования сложных систем выражены в системном подходе. Для специалиста в области системотехники они являются очевидными и естественными, однако, их соблюдение и реализация зачастую сопряжены с определенными трудностями, обусловливаемыми особенностями проектирования. Как и большинство взрослых образованных людей, правильно использующих родной язык без привлечения правил грамматики, инженеры используют системный подход без обращения к пособиям по системному анализу. Однако интуитивный подход без применения правил системного анализа может оказаться недостаточным для решения все более усложняющихся задач инженерной деятельности.

Основной общий принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход выявляет структуру системы ее внутренние и внешние связи.

Системы автоматизированного проектирования и управления относятся к числу наиболее сложных современных искусственных систем. Их проектирование и сопровождение невозможны без системного подхода. Поэтому идеи и положения системотехники входят составной частью в дисциплины, посвященные изучению современных автоматизированных систем и технологий их применения.

Структура САПР

Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем. Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие.

Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассировки соединений в печатных платах.

Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными, подсистемы разработки и сопровождения программного обеспечения CASE (Computer Aided Software Engineering), обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.

Виды обеспечения САПР

Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает появление видов обеспечения САПР. Принято выделять семь видов обеспечения САПР:

• техническое (ТО) , включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства);
• математическое (МО) , объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;
• программное (ПО) , представляемое компьютерными программами САПР;
• информационное (ИО) , состоящее из базы данных, СУБД, а также включающее другие данные, которые используются при проектировании; отметим, что вся совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР, база данных вместе с СУБД носит название банка данных;
• лингвистическое (ЛО) , выражаемое языками общения между проектировщиками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР;
• методическое (МетО) , включающее различные методики проектирования; иногда к нему относят также математическое обеспечение;
• организационное (ОО) , представляемое штатными расписаниями, должностными инструкциями и другими документами, которые регламентируют работу проектного предприятия.

Разновидности САПР

Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например по приложению, целевому назначению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы - ядра САПР.

По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР:

• САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто называют машиностроительными САПР или системами MCAD (Mechanical CAD);
• САПР для радиоэлектроники: системы ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation);
• САПР в области архитектуры и строительства.

Кроме того, известно большое число специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь классификации. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов; САПР электрических машин и т. п.

По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, обеспечивающие разные аспекты (страты) проектирования. Так, в составе MCAD появляются рассмотренные выше CAE/CAD/CAM-системы.

По масштабам различают отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР, например: комплекс анализа прочности механических изделий в соответствии с методом конечных элементов (МКЭ) или комплекс анализа электронных схем; системы ПМК; системы с уникальными архитектурами не только программного (software), но и технического (hardware) обеспечений.

По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР:

1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т. е. определение пространственных форм и взаимного расположения объектов. К этой группе систем относится большинство САПР в области машиностроения, построенных на базе графических ядер.

В настоящее время широко используют унифицированные графические ядра, применяемые более чем в одной САПР (ядра Parasolid фирмы EDS Urographies и ACIS фирмы Intergraph).

2. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях, например при проектировании бизнес-планов, но они имеются также при проектировании объектов, подобных щитам управления в системах автоматики.

3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это автономно используемые ПМК, например имитационного моделирования производственных процессов, расчета прочности по МКЭ, синтеза и анализа систем автоматического управления и т. п. Часто такие САПР относятся к системам САЕ. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD.

4. Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проектирования компонентов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии кристаллов, тестов для проверки годности изделий. Для управления столь сложными системами применяют специализированные системные среды.

Техническое обеспечение САПР

С точки зрения системной модели САПР, техническое обеспечение представляет собой самый нижний уровень, в который “погружается” и реализуется операционно-программное и другие виды обеспечений САПР.

Задача проектирования технического обеспечения, таким образом, может быть сформулирована как задача оптимального выбора состава технических средств САПР. Исходной информацией при этом являются результаты анализа задач внутреннего проектирования и ресурсные требования к техническим средствам в виде критериев и ограничений.

Основные требования к техническим средствам САПР состоят в следующем:

• эффективность;
• универсальность;
• совместимость;
• надежность.

Технические средства (ТС) в САПР решают задачи:

• ввода исходных данных описания объекта проектирования;
• отображения введенной информации с целью ее контроля и редактирования;
• преобразования информации (изменения формы и структуры представления данных, перекодировки и др.);
• хранения информации;
• отображения итоговых и промежуточных результатов решения;
• оперативного общения проектировщика с системой в процессе решения задач.

Для решения этих задач ТС должны содержать:

• процессоры,
• оперативную память,
• внешние запоминающие устройства,
• устройства ввода- вывода информации,
• технические средства машинной графики,
• устройства оперативного общения человека с ЭВМ,
• устройства, обеспечивающие связь ЭВМ с удаленными терминалами и другими машинами.

При необходимости создания непосредственной связи САПР с производственным оборудованием в состав ТС должны быть включены устройства, преобразующие результаты проектирования в сигналы управления станками.

ТС САПР могут одно- и многоуровневыми.

ТС, в состав которых входит одна ЭВМ, оснащенная широким набором периферийного оборудования, носят название одноуровневых. Они широко применяются при проектировании изделий общепромышленного применения с установившейся конструкцией, имеющих узкоспециализированные математические модели и фиксированную последовательность этапов проектно- технологических работ.

Развитие САПР предполагает расширение набора терминальных устройств, представление каждому проектировщику возможности взаимодействия с ЭВМ, обработку технической информации непосредственно на рабочих местах. С этой целью терминальные устройства снабжаются мини - и микроЭВМ, имеющими специальное математическое обеспечение интеллектуальные терминалы. Они соединяются с ЭВМ высокой производительностью с помощью специальных или обычных телефонных каналов.

»

Обеспечение САПР имеет несколько видов: математическое, программное, информационное, техническое, лингвистическое, методическое, организационное.

1. Математическое обеспечение (МО) включает в себя алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение; функциональные модели проектируемых объектов; методы численного решения задач; методы поиска экстремума. МО САПР делится на:

Математические методы и построение на их основе математических моделей объектов проектирования;

Формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

МО должно описывать во взаимосвязи объект, процесс и средства автоматизации проектирования.

2. Программное обеспечение (ПО) – это совокупность всех программ и эксплутационной документации к ним, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. ПО делится на общесистемное и специальное (прикладное).

Общесистемное ПО создано для организации функционирования технических средств, т.е. планирования и управления вычислительным процессом, распределения имеющихся ресурсов. Общесистемное ПО близко по назначению к операционным системам.

Специальное ПО реализует математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур.

Специальное ПО, или прикладное ПО, имеет форму ППП.

Уровни программного обеспечения: машинный код, язык Ассемблера, языки высокого уровня (рис. 1.1).

3. Информационное обеспечение САПР (ИО)– это такие данные, которыми пользуется проектировщик в процессе проектирования для выработки проектного решения. Это справочные данные о комплектующих изделиях, типовых проектных решениях, параметрах элементов, сведения о состоянии текущих разработок в виде промежуточных и окончательных проектных решений, структур и параметров проектируемых объектов. Совокупность данных, используемых в САПР, составляет информационный фонд. Основная функция ИО – это ведение фонда, обновление, сохранение и организация доступа к данным.

Рис. 1.1. Иерархическая структура ПО

В состав ИО САПР входят:

Программные модули;

Исходные и результирующие данные для программных модулей;

Нормативно-справочная проектная документация, государственные и отраслевые стандарты, руководящие материалы и указания, типовые проектные решения, текущая проектная документация, отражающая ход и состояние выполнения проекта.

Различают следующие способы ведения ИО САПР:

Использование файловой системы;

Построение библиотек;

Использование БД;

Создание информационных программ адаптеров.

Применение файловой системы и построение библиотек широко распространено, так как поддерживается средствами операционной системы. Эти способы применяют при хранении программных модулей, диалоговых сценариев поддержки процесса проектирования, вводе крупных масштабов исходных данных, хранении текстовых документов. Однако они мало пригодны при оперативной обработке справочных данных.

Лингвистические средства системы управления базами данных изменяются от языков программирования до языков, ориентированных на конкретного пользователя.

Основные функции СУБД:

Создание схемы базы данных;

Организация хранения данных;

Зашита целостности БД;

Поддержание загрузки БД;

Предоставление пользователям доступа к БД.

Создание информационных программ адаптеров – для организации межмодульного интерфейса. В САПР, программы которых оперируют с большим числом данных (входных, промежуточных, результирующих), области обмена удобно организовать в виде некоторого банка данных. Это позволяет часть функций, выполняемых адаптером, возложить на СУБД, что в итоге сокращает время на разработку информационного и программного обеспечения. Адаптер выполняет совокупность операций по организации информационного взаимодействия между программными модулями.

4. Техническое обеспечение САПР. Традиционное проектирование занимает 15% вычислительных операций. Для САПР необходимы специализированные средства, в основном это автоматизированное рабочее место (АРМ). АРМ – для решения сложных проектных задач в автономном режиме (для трех- и двухмерного представления объектов проектирования), инвариантные к различным видам объектов проектирования и для решения типовых инженерных, конструкторских и технологических задач.

5. Лингвистическое обеспечение САПР ,основу которого составляют специальные языковые средства (языки проектирования), предназначенные для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений. Проблемно-ориентированные языки – это Фортран, Си и др. Для решения геометрических задач инженерного типа ПОЯ соединяют в себе средства алгоритмического языка для решения математических задач и специальные языковые средства моделирования геометрических объектов. Создаются ПОЯ по соответствующим областям применения (строительство, электроника и т.д.). Но чрезмерное разнообразие языков затрудняет обмен средствами САПР между предприятиями. Развитие гибких производственных систем требует тщательного решения вопросов по составу лингвистического обеспечения.

6. Методическое обеспечение САПР – это входящие в ее состав документы, регламентирующие порядок эксплуатации системы, носящие характер инструкций.

7. Организационное обеспечение САПР – положения, приказы, штатное расписание, квалификационные требования, регламентирующие организационную структуру подразделений с комплексом средств автоматизированного проектирования.

ГЛАВА III. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР.

Техническое обеспечение САПР включает в себя различные технические средства (hardware), используемые для выполнения автоматизированного проектирования, а именно ЭВМ, периферийные устройства, сетевое оборудование, а также оборудование некоторых вспомогательных систем (например, измерительных), поддерживающих проектирование.

Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:

1. выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых имеется соответствующее ПО;

2. взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы;

3. взаимодействие между членами коллектива, выполняющими работу над общим проектом.

Первое из этих требований выполняется при наличии в САПР вычислительных машин и систем, с достаточными производительностью и емкостью памяти.

Второе требование относится к пользовательскому интерфейсу и выполняется за счет включения в САПР удобных средств ввода-вывода данных и прежде всего устройств обмена графической информацией.

Третье требование обусловливает объединение аппаратных средств САПР в вычислительнуюсеть .

В результате общая структура ТО САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных (рис. 2.1). Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими станциями (АРМ) или рабочими станциями (WS - Workstation), ими могут быть также большие ЭВМ (мейнфреймы), отдельные периферийные и измерительные устройства. Именно в АРМ должны быть средства для интерфейса проектировщика с ЭВМ. Что касается вычислительной мощности, то она может быть распределена между различными узлами вычислительной сети.

Рис 2.1. Структура технического обеспечения САПР

Средапередачиданных представлена каналами передачи данных, состоящими из линий связи и коммутационного оборудования.

В каждом узле можно выделить оконечноеоборудованиеданных (ООД), выполняющее определенную работу по проектированию, и аппаратуру окончания канала данных (АКД), предназначенную для связи ООД со средой передачи данных. Например, в качестве ООД можно рассматривать персональный компьютер, а в качестве АКД - вставляемую в компьютер сетевую плату.

Каналпередачиданных - средство двустороннего обмена данными, включающее в себя АКД и линию связи. Линией связи называют часть физической среды, используемую для распространения сигналов в определенном направлении, примерами линий связи могут служить коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС). Близким является понятие канала (канала связи) , под которым понимают средство односторонней передачи данных. Примером канала связи может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами.

Типы сетей . Существуют два метода разделения линии передачи данных: временное мультиплексирование (иначе разделение по времени или TDM - Time Division Method), при котором каждому каналу выделяется некоторый квант времени, и частотное разделение (FDM - Frequency Division Method), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот.

В САПР небольших проектных организаций, насчитывающих не более единиц-десятков компьютеров, которые размещены на малых расстояниях один от другого (например, в одной или нескольких соседних комнатах) объединяющая компьютеры сеть является локальной. Локальнаявычислительнаясеть (ЛВС или LAN - Local Area Network) имеет линию связи, к которой подключаются все узлы сети. При этом топология соединений узлов (рис. 2.2) может быть шинная (bus), кольцевая (ring), звездная (star). Протяженность линии и число подключаемых узлов в ЛВС ограничены.

Рис. 2.2. Варианты топологии локальных вычислительных сетей:

а) шинная; б) кольцевая; в) звездная

В более крупных по масштабам проектных организациях в сеть включены десятки-сотни и более компьютеров, относящихся к разным проектным и управленческим подразделениям и размещенных в помещениях одного или нескольких зданий. Такую сеть называют корпоративной . В ее структуре можно выделить ряд ЛВС, называемых подсетями , и средства связи ЛВС между собой. В эти средства входят коммутационные серверы (блоки взаимодействия подсетей). Если коммутационные серверы объединены отделенными от ЛВС подразделений каналами передачи данных, то они образуют новую подсеть, называемую опорной (или транспортной), а вся сеть оказывается иерархической структуры.

Если здания проектной организации удалены друг от друга на значительные расстояния (вплоть до их расположения в разных городах), то корпоративная сеть по своим масштабам становится территориальной сетью (WAN - Wide Area Network). В территориальной сети различают магистральные каналы передачи данных (магистральную сеть), имеющие значительную протяженность, и каналы передачи данных, связывающие ЛВС (или совокупность ЛВС отдельного здания или кампуса) с магистральной сетью и называемые абонентской линией или соединением «последней мили» .

Обычно создание выделенной магистральной сети, т.е. сети, обслуживающей единственную организацию, обходится для нее слишком дорого. Поэтому чаще прибегают к услугам провайдера, т.е. организации, предоставляющей телекоммуникационные услуги многим пользователям. В этом случае внутри корпоративной сети связь на значительных расстояниях осуществляется через магистральную сеть общего пользования . В качестве такой сети можно использовать, например, городскую или междугородную телефонную сеть или территориальные сети передачи данных. Наиболее распространенной формой доступа к этим сетям в настоящее время является обращение к глобальной вычислительной сети Internet.

Для многих корпоративных сетей возможность выхода в Internet является желательной не только для обеспечения взаимосвязи удаленных сотрудников собственной организации, но и для получения других информационных услуг. Развитие виртуальных предприятий, работающих на основе CALS-технологий, с необходимостью подразумевает информационные обмены через территориальные сети, как правило, через Internet.

Структура ТО САПР для крупной организации представлена на рис. 2.3. Здесь показана типичная структура крупных корпоративных сетей САПР, называемая архитектурой клиент-сервер. В сетях клиент-сервер выделяется один или несколько узлов, называемых серверами , которые выполняют в сети управляющие или общие для многих пользователей проектные функции, а остальные узлы (рабочие места) являются терминальными, их называют клиентами, в них работают пользователи. В общем случае сервером называют совокупность программных средств, ориентированных на выполнение определенных функций, но если эти средства сосредоточены на конкретном узле вычислительной сети, то тогда понятие сервер относится именно к узлу сети.

Рис. 2.3. Структура корпоративной сети САПР

Сети клиент-сервер различают по характеру распределения функций между серверами, другими словами, их классифицируют по типам серверов. Различают файл-серверы для хранения файлов, разделяемых многими пользователями, серверыбазыданных автоматизированной системы, серверыприложении для решения конкретных прикладных задач, коммутационныесерверы (называемые также блоками взаимодействия сетей или серверами доступа) для взаимосвязи сетей и подсетей, специализированные серверы . для выполнения определенных телекоммуникационных услуг, например, серверы электронной почты.

В случае специализации серверов по определенным приложениям сеть называют сетьюраспределенныхвычислений . Если сервер приложений обслуживает пользователей одной ЛВС, то естественно назвать такой сервер локальным. Но поскольку в САПР имеются приложения и базы данных, разделяемые пользователями разных подразделений и, следовательно, клиентами разных ЛВС, то соответствующие серверы относят к группе корпоративных, подключаемых обычно к опорной сети (см. рис. 2.3.).

Наряду с архитектурой клиент-сервер применяют одноранговыесети, в которых любой узел в зависимости от решаемой задачи может выполнять как функции сервера, так и функции клиента. Организация взаимодействия в таких сетях при числе узлов более нескольких десятков становятся чрезмерно сложной, поэтому одноранговые сети применяют только в небольших по масштабам САПР.

В соответствии со способами коммутации различают сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов . В первом случае при обмене данными между узлами A и B в сети создается физическое соединение между A и B , которое во время сеанса связи используется только этими абонентами. Примером сети с коммутацией каналов может служить телефонная сеть. Здесь передача информации происходит быстро, но каналы связи используются неэффективно, так как при обмене данными возможны длительные паузы и канал “простаивает”. При коммутации пакетов физического соединения, которое в каждый момент сеанса связи соединяло бы абонентов K и I , не создается. Сообщения разделяются на порции, называемые пакетами , которые передаются в разветвленной сети от K к I или обратно через промежуточные узлы с возможной буферизацией (временным запоминанием) в них. Таким образом, любая линия может разделяться многими сообщениями, попеременно пропуская при этом пакеты разных сообщений с максимальным заполнением упомянутых пауз.

Комплектующие