Русский | English   поискrss RSS-лента

Главная  → Материалы музея с 2013 по 2016 год  → Документы и публикации  → Материалы конференций  → Материалы Международной конференции Sorucom-2014  → Опыт создания и развития инструментальных средств САПР

Опыт создания и развития инструментальных средств САПР

Немного истории

Республика Татарстан (в рассматриваемый период времени - ТАССР) в силу своего научно-технического и промышленного потенциала всегда была в числе наиболее передовых регионов не только Российской Федерации, но и всего бывшего СССР по уровню развития информационных технологий. Столица республики - Казань - по праву считалась одним из крупных всесоюзных центров информатизации.

Еще в 50-х и 60-х годах прошлого века в Казани был создан мощный конгломерат предприятий Минрадиопрома и Минприбора СССР, осуществлявших широкомасштабное производство и внедрение средств электронной вычислительной техники (ЭВТ) в народное хозяйство страны. В частности, в столице Татарстана находился один из крупнейших в СССР завод ЭВМ, продукция которого (ЕС ЭВМ моделей ЕС-1033 и ЕС-1045, быстродействующие печатающие устройства - АЦПУ, средства телеобработки данных) пользовалась спросом не только на территории Советского Союза, но и экспортировалась во многие страны мира, в том числе в Индию, Сирию, Йемен, Болгарию, Венгрию, Чехословакию и другие страны. Заводом пишущих устройств (КПО «Терминал») выпускалась обширная номенклатура периферийных устройств ЭВТ (дисплеи, АЦПУ, графопостроители, консоли управления и прочее). Тысячи специалистов из республик и регионов СССР, а также из зарубежных стран обучались навыкам эксплуатации семейства ЕС ЭВМ в Казанском НПО «Алгоритм».

От Прибалтики до Сахалина, от Мурманска до Ташкента - такова была география внедрения автоматизированных информационных систем различного назначения, созданных учеными и программистами НПО «Волга» (ГНИПИ-ВТ) и КФ ИПИАН. Разработку информационных технологий и устройств ЭВТ на основе микропроцессорной техники для нужд своих отраслей осуществляли также такие предприятия и организации, как НИИВС, КНИИРЭ, ПО «Элекон», КФ НИАТ, КНИТИ-ВТ, ПО КАМАЗ, ПО «Радиоприбор» и другие.

Подготовку квалифицированных специалистов для этих предприятий и организаций непрерывно осуществляли ВУЗы Татарстана, в том числе КГУ, КАИ, КХТИ и другие. Многие из этих специалистов, проработав в течение нескольких лет на самых передовых предприятиях Казани и получив необходимый опыт и навыки эксплуатации средств ЭВТ, разъезжались затем по всем городам и весям огромной страны, распространяя таким образом полученные знания и умения по территории всего СССР.

В Татарской АССР в те годы неоднократно проходили самые авторитетные международные и всесоюзные научно-практические конференции и семинары по проблемам информатизации и внедрения информационных технологий. На них происходил обмен самым передовым опытом разработки, внедрения и эксплуатации средств вычислительной техники, а также общесистемного и прикладного программного обеспечения (ПО).

Особенно хотелось бы отметить вклад специалистов Казанского завода ЭВМ в развитие современной ИКТ- индустрии в Индии, куда из Казани в 70-е годы XX века не только в значительных объёмах поставлялись передовые на тот момент технические средства ЕС ЭВМ, но и направлялись на длительные сроки работы многочисленные команды инженеров-электронщиков и программистов. Они внесли огромный, поистине неоценимый вклад в дело развития национальной индийской ИКТ-инфраструктуры, помогли индийским специалистам, прежде всего - программистам, быстро освоить новые тогда для них технологии и ускоренными темпами выйти на совершенно новые, высочайшие рубежи в этой области. Во многом благодаря специалистам из Казани Индия сделала впечатляющий инновационный рывок и в настоящее время является одним из наиболее авторитетных мировых «гуру» в сфере ИКТ. Достаточно сказать, что сейчас объём ИКТ-индустрии в этой стране достигает чуть ли не 10% её ВВП. При этом аутсорсинговые услуги составляют около 50% от общего объёма экспорта услуг. Доля участия Индии в ИКТ-секторе мирового ВВП составляет около 3,3%, что в десять раз превышает аналогичный вклад Российской Федерации в этот важнейший показатель научно-технического развития передовых стран мира. Таковы современные реалии.

Ретроспективный анализ проблем разработки и внедрения САПР

Одним из наиболее перспективных и наиболее быстро развивавшихся направлений создания и внедрения ИКТ в 70-х и 80-х годах в Советском Союзе считались системы автоматизации проектирования (САПР), их западные аналоги были известны как системы CAD (Computer-Aided Design). Действительно, всесторонняя автоматизация инженерной проектной деятельности, прежде всего - проектно-конструкторских работ и технологической подготовки производства, сулила огромные экономические выгоды, связанные с сокращением сроков разработки и повышением качества проектных решений в процессе создания изделий новой техники. Эго обеспечивалось внедрением новых технологий ведения проектных работ, основанных на широком применении современной ЭВТ и специализированного прикладного ПО.

Даже простая автоматизация документирования проектных решений, связанная с частичным переходом на безбумажные технологии обработки конструкторско-технологической информации, обеспечивала серьёзные преимущества за счёт отказа от оформления традиционных эскизов, выпуска многорулонных чертежей, печати многотомных текстовых документов. Эти устаревшие промежуточные документы стали заменять новыми, компьютерными моделями и формами представления проектных решений, пригодными для обработки и хранения в электронном виде. Появились и развивались первые интегрированные САПР (так называемые системы CAD/CAM, где составляющая САМ происходит от Computer-Aided Manufacturing, и означает «автоматизированное производство»), позволявшие осуществлять «сквозные» диалоговые процессы формирования облика деталей изделий в виде их 2D и ЗО-моделей. Их визуализация происходила непосредственно на экране дисплея. В интерактивном режиме можно было также вносить изменения и дополнения. Далее на основе таких моделей без их бумажного оформления можно было получать управляющие программы для станков с ЧПУ с целью изготовления этих деталей. Тем самым экономились время и материальные ресурсы.

В качестве дальнейших шагов планировалось перейти к многофункциональным интегрированным САПР, обеспечивающим полную и всестороннюю автоматизацию всей инженерной деятельности на крупных предприятиях машиностроительных отраслей промышленности. Такие перспективные системы чаще всего обозначались аббревиатурой CAE (Computer-Aided Engineering). Вместе с тем, при попытках создания реальных систем подобного класса их разработчики, по крайней мере, у нас в стране, столкнулись с целым рядом новых инженерно-технических и организационных проблем, требовавших своего скорейшего разрешения.

Резкое усложнение проектируемых САПР привело к тому, что цикл создания и внедрения подобных систем резко удлинился и стал соизмерим с ожидаемым периодом их эксплуатации. При этом вследствие значительного жизненного цикла разработки часто оказывалось, что в процессе создания систем внешние условия существенно изменились, вследствие чего внедряемая система оказывалась морально устаревшей. Внесение же изменений в проект на поздних этапах создании интегрированных САПР оказалось весьма трудоемким и дорогостоящим, причём попытки силового внедрения морально устаревших проектных решений приводили только к напрасной потере времени и средств.

Сложность систем приводила к тому, что они стали малопонятными в эксплуатации, а точнее - недоступными для эффективного использования конечными пользователями для кого они собственно предназначались, то есть рядовыми конструкторами и технологами, которые не являлись специалистами в области информационных технологий. Нужны были новые интерактивные системы, обладающие «дружелюбным» интерфейсом, легко доступным для понимания самыми широкими кругами инженеров-проектировщиков из различных предметных областей.

Далее оказалось, что использование в рамках САПР традиционных реляционных СУБД типа «IMS-Ока» оказалось весьма неудобным вследствие того, что они не были приспособлены к специфическим особенностям проектной деятельности. К таковым относятся, прежде всего, территориально распределённый характер ведения проектных работ, необходимость поддержки в процессе разработки нескольких параллельных версий проектов сложных изделий новой техники, иерархический характер структуры проектируемых изделий и т.д. Кроме того, очень остро стоял вопрос о необходимости реализации в составе интегрированных САПР высокоразвитых информационно-поисковых систем и средств быстрой актуализации проектной информации в процессе проектирования сложных технических объектов.

Другими важными проблемами были разработка средств управления проектами, а также средств идентификации пользователей с механизмами, регламентирующими доступ к проектной информации и полномочия по её корректировке в процессе разработки.

Итак, стало очевидным, что для успешной реализации крупных проектов САПР необходимо применение специальных инструментальных средств их создания, с помощью которых можно было бы добиться резкого сокращения сроков разработки таких систем и обеспечить их длительную успешную эксплуатацию у заказчиков. Кроме того, нужно было обеспечить поддержку единой информационной модели проектируемого изделия, а также отдельных его компонентов с визуализацией сложных пространственных форм на экране дисплея, обеспечить возможность документирования проектных решений.

Концепция КСАПР-ТПП

В описанных выше условиях в середине 80-х годов в Казанском НПО «Волга» Министерства приборостроения СССР большому и в тоже время достаточно опытному коллективу разработчиков была поручена разработка Комплексной САПР технической подготовки производства (КСАПР-ТПП), призванной решить значительную часть возникших проблем. Финансирование работ изначально осуществлялось из собственных средств, выделенных НПО «Волга» для НИР, а также из средств договоров с внешними заказчиками отдельных компонентов системы. В дальнейшем основное финансирование разработки КСАПР-ТПП происходило за счёт средств Фонда НИОКР Минприбора СССР.

Концепция КСАПР-ТПП предусматривала создание в её рамках нескольких базовых инструментальных средств (сейчас бы их отнесли к понятию framework), позволяющих, с одной стороны, обеспечить создание на их основе самого широкого спектра предметно-ориентированных интерактивных САПР путём заполнения предметных БД и настройки соответствующей диалоговой проектной среды. С другой стороны, они предназначались для использования в качестве универсальных механизмов выполнения сценариев проектной деятельности и мониторинга процессов проектирования в ходе эксплуатации таких систем. Инструментальные средства КСАПР-ТПП позволяли в несколько раз сократить сроки разработки и внедрения конкретных предметных САПР.

Таким образом, КСАПР-ТПП по своей сути являлась инструментальной средой для создания интегрированных САПР нового поколения, целью которых являлось достижение максимально возможного уровня автоматизации проектно-конструкторских работ и технологической подготовки производства на предприятиях машиностроительных отраслей. При этом разработчики инструментариев системы изначально ориентировались на создание комфортных условий ведения проектной деятельности для конечных пользователей системы, то есть конструкторов и технологов, не являющихся специалистами в области ИТ.

Создание в составе КСАПР-ТПП единой информационной среды, состоящей из нескольких предметных БД с общими правилами доступа к информации, призвано было обеспечить в рамках системы «сквозную» автоматизацию инженерной деятельности и оптимизировать информационные потоки. Для реализации единого банка проектных данных (БнД-П) была выбрана СУБД «КАРС-МИКРО» - адаптированная в СБНИПИ «Интерпрограмма» версия известной зарубежной СУБД.

Система реализовывалась путём создания специализированных комплексов предметно-ориентированных автоматизированных рабочих мест (АРМ), а также АРМ общесистемного назначения, объединённых в локальную сеть предприятия.

Состав и структура КСАПР-ТПП

Согласно общей концепции КСАПР-ТПП архитектурную основу системы (см. рис.1) образовывали три базовых слоя: слой инструментальных средств, слой предметных САПР и слой общесистемных средств поддержки проектной деятельности.

В инструментальный слой входили три ключевых функциональных комплекса программ (ФКП), образующих мощную унифицированную инструментальную среду (иначе, инструментальный слой - frameworks), предназначенную для разработки и функционирования предметно-ориентированных САПР:

Именно на основе этих ФКП путём формирования гибкой логической структуры и соответствующего наполнения проектных БД, а также сценариев проектной деятельности в рамках предметных САПР в дальнейшем удавалось быстро создавать новые конкретные системы, хорошо адаптированные под нужды конечных пользователей на предприятиях Минавиапрома, Минприбора, Минстройдормаша, Минсредмаша и Минрадипрома СССР.

Кроме того, в состав КСАПР входили типовые комплексы наиболее востребованных на предприятиях машиностроительных отраслей предметно-ориентированных САПР:

Эти типовые системы конструкторско-технологического назначения создавались, как правило, по заказу представителей вышеуказанных отраслей промышленности на основе инструментальных ФКП «ВАРИКОН» и ФКП «УСВД» и адаптировались под нужды конкретных предприятий Заказчика в тесном взаимодействии с представителями этих предприятий. Такая схема обеспечивала наиболее эффективную организацию процесса их внедрения и промышленной эксплуатации компонентов КСАПР-ТПП, реализуя жёсткую обратную связь между её разработчиками и потребителями.

Структура и состав КСАПР-ТПП

Структура и состав КСАПР-ТПП

Наконец, третий слой играл вспомогательную роль, обеспечивая общетехнические и технологические аспекты функционирования КСАПР-ТТШ, включая процессы управления системой, управления проектами, поддержку репозитория и архива проектов, организацию информационного поиска типовых проектных решения для последующего использования, а также поддержку документирования проектных решений.

Инструментальный ФКП «КСАПР-СРЕДА»

Данный инструментальный ФКП был предназначен для поддержки параллельно-последовательной технологии ведения проектных работ в рамках комплексных САПР, построенных на основе инженерных АРМ конструкторско-технологического назначения, объединённых в локальную вычислительную сеть (ЛВС) предприятия.

ФКП «КСАПР-СРЕДА» призван был обеспечить:

Организация обмена проектными данными обеспечивалась путём использования возможностей ЛВС, причём доступ к актуальной проектной информации организовывался через общий файл-сервер. Специальная надстройка прикладного уровня отслеживала внесение изменений в отдельные разделы конкретной проектной базы с соответствующим уведомлением руководителя данного проекта. Для рассылки уведомлений в рамках групп разработчиков предназначалась внутренняя служба «электронной почты».

Для управления служебными сервисами в процессе проектирования в рамках ФКП «СРЕДА» были предусмотрены следующие функции

Кроме того в рамках данного ФКП реализовывались следующие возможности:

Инструментальный ФКП «ВАРИКОН»

ФКП «ВАРИКОН» изначально считался одним из самых критически важных компонентов КСАПР-ТПП. Успешное завершение разработки этого инструментария в 1987 году означало создание мощной «стартовой площадки» для новых инновационных проектов в области автоматизации проектно-конструкторских работ, особенно в части ускоренного создания различных предметных САПР конструкторско-технологической оснастки. Довольно быстро, буквально в считанные месяцы на базе ФКП «ВАРИКОН» были созданы и внедрены САПР автоматизированного проектирования разделительных штампов (САПР-Автоштамп нового поколения на базе ПК) на предприятиях городов Алатыря, Краснодара, Комсомольска-на-Амуре, Красноярска, Москвы и ряда других. В дальнейшем на его базе разрабатывались САПР других видов штампов, кондукторов, пресс-форм для литья пластмасс и прочей технологической оснастки. Процесс их разработки и внедрения за счёт уникальных возможностей инструментария «ВАРИКОН» составлял от нескольких месяцев до полугода (в самых жёстких условиях).

Комплекс «ВАРИКОН» имел графическое ядро собственной разработки (приоритет НПО «Волга»), обеспечивавшее разработку в интерактивном режиме и поддержку двумерных графических моделей конструкторских изделий, в основном типовых конструкций технологической оснастки. На основе этих моделей в КСАПР создавались так называемые комплексные чертежи деталей, на базе которых в дальнейшем можно было осуществлять генерацию конкретных элементов конструкций узлов изделий.

Кроме того, в ФКП «ВАРИКОН» были обеспечены следующие возможности:

Графический формат, использованный в рамках ФКП «ВАРИКОН», был полностью совместим с широко распространёнными тогда пакетами машинной графики типа AutoCAD или ГРАФКАД, что позволяло использовать созданные в «ВАРИКОН» сложные параметризованные модели для выпуска чертёжной документации конкретных изделий в других CAD-системах. В качестве пакета поддержки графической документации ФКП «ВАРИКОН» имел самое широкое распространение и был тиражирован в нашей стране в количестве более 2000 инсталляций.

Инструментальный ФКП «УСВД»

ФКП «УСВД» был предназначен для использования в качестве инструментальной среды при разработке интерактивных САПР технологических процессов (ТП), а также для реализации диалоговых процессов общения с конечными пользователями-технологами в процессе эксплуатации созданных на его основе предметноориентированных САПР. В дальнейшем на основе данного инструментария был довольно быстро реализован спектр САПР-ТП для механообрабатывающего, штамповочного, литейного (пластмассы), кузнечно-прессового, сборочного и некоторых других видов производств.

В рамках «УСВД» была предложена оригинальная методика разработки предметных САПР-ТП, основанная на типизации основных проектных решений и их реализации в виде дерева стандартных проектных процедур. Как результат, процесс проектирования систем на базе УСВД сводился к написанию универсальных диалоговых сценариев, которые аккумулировали в себе все основные проектные решения. Далее для реализации конкретной САПР-ТП необходимо было осуществить настройку монитора системы на предметную область конечного пользователя с учётом специфики предприятия.

Основные функции, реализованные в УСВД, сводились к следующему:

Как правило, процесс создания той или иной предметной САПР-ТП на базе ФКП «УСВД» сводился к разработке диалогового сценария и формированию информационно-справочного наполнения для конкретной системы. Диалоговый сценарий представлял собой набор знаний, правил и традиций проектирования, присущих рассматриваемой предметной области. Сценарий определялся тремя составляющими: описание типовых проектных ситуаций, контексты диалогов, описания проектных решений. Сами контексты могли быть расшифрованы с помощью словарей-дескрипторов.

Каждая предметная область имела несколько вариантов сценариев. Загрузкой в систему интерактивного сценария и информационного наполнения к нему процесс создания конкретной САПР-ТП завершался.

Заключение

К огромному сожалению автора этих строк, который являлся руководителем работ по созданию КСАПР- ТПП, обстоятельства непреодолимой силы (пресловутый форс-мажор) так и не позволили в полной мере реализовать и внедрить данный проект в полном объёме и со всеми его широкими функциональными возможностями. Расформирование и фактическое уничтожение в конце 1990 года Министерства приборостроения СССР, а также последовавший практически через год развал самого СССР привели к тому, что государственное финансирование проекта было одномоментно прекращено. При этом большинство основных потенциальных покупателей отдельных пакетов и компонентов либо оказались за границей (предприятия Республики Беларусь, Украины, Казахстана), либо сами лишились необходимых источников финансирования (бывшие предприятия Минприбора и Минрадиопрома СССР, а также базовых отраслей ВПК России).

Тем не менее, некоторые отдельные фрагменты КСАПР-ТПП, в основном на базе инструментария «Вари- кон», были завершены и внедрялись в течение нескольких последующих лет на ряде предприятий Москвы и Татарстана. Немногие знают, например, о том, что когда в Республике Татарстан в 1992-1994 гг. осуществлялся переход на установку дорожных указателей на трёх языках (русском, татарском, английском), именно с помощью пакета «Варикон» предприятие «Татавтодор», несмотря на огромный объём работ, осуществило проектирование этих указателей качественно и в самые сжатые сроки. Это произошло ещё и потому, что в те времена из всех средств машинной графики только «Варикон» был адаптирован к использованию букв татарского алфавита с учётом всех требований ГОСТ, включая размеры шрифта, межстрочных и межбуквенных расстояний.

В заключение автор хотел бы выразить свою искреннюю благодарность всем участникам работ по созданию столь большого и неординарного проекта, как КСАПР-ТПП. В том числе персонально руководителям подразделений (лабораторий) Ведерникову В.Ю., Девяткову В.В., Мутагирову Б.Г., Харах М.М., Ходыркеру М.Я.; руководителям проектных направлений Вячеславову В.С., Миронову М.Н., Тимершину Р.Г., Черных А.Г.; инженерам-разработчикам моделей предметно-ориентированных БД, а также сценариев проектной деятельности и прикладного ПО Абзаловой Р.З., Алыпиной Ф.Х., Андрееву С.Б., Арслановой Г.М., Баянову И.Р., Биктагировой Е.Н., Будриной О.Н., Валиахметовой В.Ш., Дюдиной М.П., Емелиной Т.М., Золотарёву С.А., Кегульскому Л.Г., Кохановой Е.Г., Лаврову С.А., Михайловой Т.А., Родионовой Г.П., Салмовой О.В., Унру Н.А., Фишман Г.Г., Щербаковой А.Б., Якимовой Н.К. и многим другим.

Об авторе: Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ
Казань, Россия
igor.zinovyev@gmail.com
Материалы международной конференции Sorucom 2014 (13-17 октября 2014)
Помещена в музей с разрешения авторов 12 Января 2015

Проект Эдуарда Пройдакова
© Совет Виртуального компьютерного музея, 1997 — 2017