Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Аннотация: В данной статье производится обзор нескольких графических методов оценки статистической безопасности генераторов псевдослучайных последоват...полностью>>
'Документ'
исследователей города Ростова-на-Дону путем присоединения к муниципальному автономному общеобразовательному учреждению средней общеобразователь­ной шк...полностью>>
'Документ'
прохождение 7 «Щит» Сызрань/СН ДТДиМ СОШ №14 11 10:15 13:44 3ч 9мин прохождение 8 «Пересвет» К-Черкассы/ ГБОУ СОШ №1 8 10: 0 1 :47 ч 7мин прохождение ...полностью>>
'Документ'
Оцениваемые УУД: действия, направленные на  определение своего отношения к поступлению в школу и школьной действительности; действия, устанавливающие ...полностью>>

Главная > Документ

Сохрани ссылку в одной из сетей:
Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

1

Смотреть полностью

Дисциплина: «Интеллектуальные подсистемы САПР» (Шкаберин В.А.)

  1. Понятие искусственного интеллекта. Модели представления знаний.

  2. Предмет исследования и основные  направления исследований в области искусственного интеллекта.

  3. Представление задач в пространстве состояний. Методы поиска в пространствах состояний.

  4. Продукционные модели представления знаний в интеллектуальных системах.

  5. Фреймовые модели представления знаний в интеллектуальных системах.

  6. Сетевые модели представления знаний в интеллектуальных системах.

  7. Логические модели представления знаний в интеллектуальных системах.

  8. Назначение, функции и структура экспертных систем.

  9. Назначение и структура интеллектуальных подсистем в современных САПР.

 

1. Понятие искусственного интеллекта. Модели представления знаний

Искусственный интеллект – это область информатики, которая занимается разработкой интеллектуальных компьютерных систем, т.е. систем, обладающих возможностями, которые мы традиционно связываем с человеческим разумом, - понимание языка, обучение, способность рассуждать, решать проблемы и т.д. (Барр и Файгенбаум, 1981 г.)

Искусственный интеллект – это одно из направлений информатики, целью которого является разработка аппаратно-программных средств, позволяющих пользователю-непрограммисту ставить и решать свои, традиционно считающиеся интеллектуальными задачи, общаясь с ЭВМ на ограниченном подмножестве естественного языка.

Существуют два направления в ИИ:

  1. Нейрокибернетика ориентирована на программно-аппаратное моделирование структур, подобных структуре мозга. Усилия сосредоточены на создании элементов, аналогичных нейронам, и их объединении в функционирующие системы. Эти системы называют нейронными сетями или нейросетями.

  2. Кибернетика «черного ящика». Главная ориентация этого направления ИИ – поиски алгоритмов решения интеллектуальных задач на существующих моделях компьютеров.

Знания – совокупность сведений, образующих целостное описание, соответствующее некоторому уровню осведомленности об описываемом вопросе, предмете, проблеме и т.д.

Данные- это отдельные факты, характеризующие объекты, процессы и явления предметной области и их свойства.

В информационных системах используют различные модели (способы) представления знаний:

1 Логические модели. В основе моделей такого типа лежит формальная система, задаваемая четверкой вида: M = . Множество T есть множество базовых элементов. P есть множество синтаксических правил. С их помощью из элементов T образуют синтаксически правильные совокупности.В множестве синтаксически правильных совокупностей выделяется некоторое подмножество A. Элементы A называются аксиомами. Множество B есть множество правил вывода.
2 Сетевые модели. В основе моделей этого типа лежит конструкция, названная семантической сетью(иерархическая сеть, в вершинах которой находятся информационные единицы. Дуги семантической сети соответствуют различным связям между информационными единицами). Сетевые модели формально можно задать в виде H = Г>. Здесь I есть множество информационных единиц; C1, C2, ..., Cn - множество типов связей между информационными единицами. Отображение Г задает между информационными единицами, входящими в I, связи из заданного набора типов связей.

Преимущества сетевой модели

  1. большие выразительные возможности;

  2. наглядность системы знаний, представленной графически;

  3. близость структуры сети, представляющей систему знаний, семантической структуре фраз на естественном языке;

  4. соответствие современным представлениям об организации долговременной памяти человека.

Недостатки сетевой модели

  1. Сетевая модель не дает (точнее, не содержит) ясного представления о структуре предметной области, которая ей соответствует, поэтому формирование и модификация такой модели затруднительны.

  2. Сетевые модели представляют собой пассивные структуры, для обработки которых необходим специальный аппарат формального вывода и планирования.

  3. Проблема поиска решения в базе знаний типа семантической сети сводится к задаче поиска фрагмента сети, соответствующего некоторой подсети поставленной задачи. Это, в свою очередь, обусловливает еще один недостаток модели — сложность поиска вывода на семантических сетях.

3 Продукционные модели. В моделях этого типа используются некоторые элементы логических и сетевых моделей. Из логических моделей заимствована идея правил вывода, которые здесь называются продукциями, а из сетевых моделей - описание знаний в виде семантической сети.

Преимущества продукционных моделей

  1. Модульность

  2. Модифицируемость

  3. Доступность чтения

  4. Способность к самообъяснению

  5. Универсальность

  6. Эффективность организации памяти

Недостатки продукционной системы:

При большом числе продукций становится сложной проверка непротиворечивости системы продукций. Из-за присущей системе недетерминированности (неоднозначного выбора выполняемой продукции из фронта активизированных продукций) возникают принципиальные трудности при  проверке корректности работы системы
4. Фреймовые модели. В отличие от моделей других типов во фреймовых моделях фиксируется жесткая структура информационных единиц, которая называется протофреймом. В общем виде она выглядит следующим образом:
(Имя фрейма:

Имя слота 1(значение слота 1)

Имя слота 2(значение слота 2)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Имя слота К (значение слота К)).

Значением слота может быть практически что угодно (числа или математические соотношения, тексты на естественном языке или программы, правила вывода или ссылки на другие слоты данного фрейма или других фреймов). В качестве значения слота может выступать набор слотов более низкого уровня

Преимущества фреймовой модели

Основное преимущество фреймов как модели представления знаний – эта модель отражает концептуальную основу организации памяти человека, а также ее гибкость и наглядность.

  1. Предмет исследования и основные направления исследований в области ИИ

Искусственный интеллект – это область информатики, которая занимается разработкой интеллектуальных компьютерных систем, т.е. систем, обладающих возможностями, которые мы традиционно связываем с человеческим разумом, - понимание языка, обучение, способность рассуждать, решать проблемы и т.д. (Барр и Файгенбаум, 1981 г.)

Искусственный интеллект – это одно из направлений информатики, целью которого является разработка аппаратно-программных средств, позволяющих пользователю-непрограммисту ставить и решать свои, традиционно считающиеся интеллектуальными задачи, общаясь с ЭВМ на ограниченном подмножестве естественного языка.

Представление знаний и разработка систем, основанных на знаниях. Оно связано с разработкой моделей представления знаний, созданием баз знаний, образующих ядро экспертных систем.

 Программное обеспечение систем искусственного интеллекта.В рамках этого направления разрабатываются специальные языки для решения интеллектуальных задач, в которых традиционно упор делается на преобладание логической и символьной обработки над вычислительными процедурами. Кроме того, создаются пустые ЭС.

Разработка естественно-языковых интерфейсов и машинный перевод.Первые переводчики с английского на русский базировались на пословном переводе. Затем были предложены программы на основе морфологического анализа, но они оказались неплодотворны. В настоящее время используется несколько более сложных моделей:
•   применение так называемых «языков-посредников»«исходный язык оригинала — язык смысла — язык перевода»;

•   ассоциативный поисканалогичных фрагментов текста и их переводов в специальных текстовых репозиториях или базах данных;

•   структурный подход,включающий последовательный анализ и синтез естественно-языковых сообщений.

 Интеллектуальные роботы. Роботы (появилось в 20-х гг)— это электротехнические устройства, предназначенные для автоматизации человеческого труда.

I поколение. Роботы с жесткой схемой управления. Практически все современные промышленные роботы принадлежат к первому поколению. Фактически это программируемые манипуляторы.

II поколение. Адаптивные роботы с сенсорными устройствами. Есть образцы таких роботов, но в промышленности они пока используются мало.

III поколение. Самоорганизующиеся или интеллектуальные роботы. Это — конечная цель развития робототехники. Основные нерешенные проблемы при создании интеллектуальных роботов — проблема машинного зрения и адекватного хранения и обработки трехмерной визуальной информации.

 Обучение и самообучение. Включает модели, методы и алгоритмы, ориентированные на автоматическое накопление и формирование знаний на основе анализа и обобщения данных. Включает обучение по примерам (или индуктивное), а также традиционные подходы из теории распознавания образов. В последние годы к этому направлению тесно примыкают data mining — анализа данных и knowledge discovery — поиска закономерностей в базах данных.

 Распознавание образов. Распознавание образов  — описание классов объектов через определенные значения значимых признаков. Каждому объекту ставится в соответствие матрица признаков, по которой происходит его распознавание. Процедура распознавания использует чаще всего специальные математические процедуры и функции, разделяющие объекты на классы.

 Новые архитектуры компьютеров. Архитектура  фон Нейманакрайне неэффективна для символьной обработки. Создаются Пролог- и Лисп-машины, компьютеры V и VI поколений. Последние разработки посвящены компьютерам баз данных, параллельным и векторным компьютерам.

 Игры и машинное творчество. В основе первых игровых программ лежит один из ранних подходов — лабиринтная модель мышления плюс эвристики. Это направление охватывает сочинение компьютером музыки, стихов. Основным методом подобного «творчества» является метод пермутаций (перестановок) плюс использование некоторых баз знаний и данных, содержащих результаты исследований по структурам текстов, рифм, сценариям и т. п.

3. Представление задач в пространстве состояний. Методы поиска в пространствах состояний

Фундаментальная идея, которая появилась в результате первых опытов по применению компьютеров для решения игровых задач и головоломок, получила наименование поиск в пространстве состояний. Суть идеи в том, что множество проблем можно сформулировать в терминах 3-х важнейших ингредиентов:

  • исходное состояние проблемы, например исходное состояние головоломки;

  • тест завершения – проверка, достигнуто ли требуемое конечное состояние или найдено решение проблемы (примером может послужить правило определения, собрана ли головоломка);

  • множество операций, которые можно использовать для изменения текущего состояния проблемы, например шаги или перемещения фигур при сборке головоломки.

Один из способов представления пространства состояний – граф, в котором состояниям соответствуют узлы, а операциям – дуги.

В качестве примера рассмотрим задачу построения слова из некоторого множества букв (К И Т). Задавшись набором операций установки букв, можно сформировать пространство состояний.

Ориентированный граф (орграф) G=(V,E) состоит из множества вершин V и множества дуг E. Вершины также называются узлами, а дуги – ориентированными ребрами. Дуга представима в виде упорядоченной пары вершин (v, w), где вершина v называется началом, а w – концом дуги. Дугу (v, w) часто записывают как vw и изображают в виде

Говорят также, что дуга vw ведет от вершины v к вершине w, а вершина w смежная с вершиной v.

Вершины орграфа используют для представления объектов, а дуги – для отношений между объектами.

Путем в орграфе называется последовательность вершин v1, v2, ...vn, для которых существуют дуги v1v2, v2v3,...,v n-1vn. Этот путь начинается в вершине v1 и проходя через вершины v2, v3, ..., vn-1, заканчивается в вершине vn. Длина пути – количество дуг, составляющих путь.

Путь называется простым, если все вершины на нем, за исключением может быть первой и последней, различны.

Цикл – это простой путь длины не менее 1, который начинается и заканчивается в одной и той же вершине.

Иногда удобно к вершинам и дугам орграфа присоединить какую-либо информацию. Для этих целей используется помеченный орграф, т.е. орграф, у которого каждая дуга и/или каждая вершина имеет соответствующие метки. Меткой может быть имя, вес или стоимость дуги, или значение данных какого-либо типа.

Неориентированный граф G=(V, E) состоит из конечного множества вершин V и множества ребер E. В отличие от ориентированного графа, здесь каждое ребро (v, w) соответствует неупорядоченной паре вершин.

Вершины v и w называются смежными, если существует ребро (v, w)

Основные методы поиска:

  • поиск в глубину,

  • поиск в ширину,

  • поиск от наилучшего,

  • метод наискорейшего подъема,

  • стратегия ветвей и границ.

Поиск в ширину

Рис. 1. Простое пространство состояний: а - стартовая вершина, f и j - целевые вершины. Применение стратегии стратегии поиска в ширину дает следующий порядок прохода по вершинам: а,Ь,с, d,e,f. Более короткое решение [а,с, t] найдено раньше, чем более длинное [a,b,e,j].

Поиск в глубину

Ключевые понятия: состояние - характеризует некоторый момент решения задачи, оператор преобразует одно состояние в другое, являясь функцией, определенной на множестве состояний и принимающей значения из этого множества, решение задачи есть определенная последовательность операторов, преобразующая начальное состояние в целевое. Решение задачи ищется в пространстве состояний – множестве состояний, достижимых из начального состояния при помощи операторов Пространство состояний можно представить в виде графа, вершины которого соответствуют состояниям, а дуги – применяемым операторам. Тогда решение задачи – это путь, ведущий от начального состояния к целевому.

Поиск в глубину.

В алгоритме перебора вглубь раскрытию в первую очередь подлежит вершина, имеющая наибольшую глубину. Такой принцип может привести к бесконечному процессу – если пространство состояний бесконечно. Самое распространенный способ – ограничить глубину просмотра дерева или графа. Это означает, что в ходе перебора раскрываются только вершины с глубиной, не превышающей некоторую заданную граничную глубину, т.е. в первую очередь раскрытию подлежит вершина наибольшей глубины, но не превышающей эту границу.

Основные шаги алгоритма ограниченного перебора вглубь таковы:

Шаг 1. Поместить начальную вершину в список Open.

Шаг 2. Если список Open пуст, то окончание алгоритма и выдача сообщения о неудаче поиска, в противном случае перейти к следующему шагу.

Шаг 3. Выбрать первую вершину из списка Open (назовем ее Current) и перенести ее в список Closed.

Шаг 4. Если глубина вершины Current равна граничной глубине, то перейти к шагу 2, в ином случае перейти к следующему шагу.

Шаг 5. Раскрыть вершину Current, построив все ее дочерние вершины. Если дочерних вершин нет, то перейти к шагу 2, иначе поместить все дочерние вершины (в произвольном порядке) в начало списка Open и построить указатели, ведущие от этих вершин к родительской вершине Current.

Шаг 6. Если среди дочерних есть хотя бы одна целевая вершина, то окончание алгоритма и выдача решения задачи, получающегося просмотром указателей от найденной целевой вершины к начальной. В противном случае перейти к шагу 2.

Поиск в ширину.

алгоритм перебора вширь:

Шаг 1. Поместить начальную вершину в список нераскрытых вершин Open.

Шаг 2. Если список Open пуст, то окончание алгоритма и выдача сообщения о неудаче поиска, в противном случае перейти к следующему шагу.

Шаг 3. Выбрать первую вершину из списка Open (назовем ее Current) и перенести ее в список Closed.

Шаг 4. Раскрыть вершину Current, образовав все ее дочерние вершины. Если дочерних вершин нет, то перейти к шагу 2, иначе поместить все дочерние вершины (в любом порядке) в конец списка Open и построить указатели, ведущие от этих вершин к родительской вершине Current.

Шаг 5. Проверить , нет ли среди дочерних вершин целевых. Если есть хотя бы одна целевая вершина, то окончание алгоритма и выдача решения задачи, получающегося просмотром указателей от найденной целевой вершины к начальной. В противном случае перейти к шагу 2.

4. Продукционные представления знаний в интеллектуальных системах

Продукции являются наиболее популярным средством представления знаний.

В моделях этого типа используются элементы логических и сетевых моделей. Из логических моделей заимствована идея правил вывода, которые называются здесь продукциями, а из сетевых моделей – описание знаний в виде семантической сети.

Продукционная модель или модель, основанная на правилах, позволяет представить знания в виде предложений типа «Если (условие), то (действие)».

Под «условием» (антецедентом) понимается некоторое предложение-образец, по которому осуществляется поиск в базе знаний, а под «действием» (консеквентом) – действия, выполняемые при успешном исходе поиска (они могут быть промежуточными, выступающими далее как условия и терминальными или целевыми, завершающими работу системы).

Вывод на такой базе знаний бывает прямым (от данных к поиску цели) или обратным (от цели для ее подтверждения – к данным). Данные – это исходные факты, хранящиеся в базе фактов, на основании которых запускается машина вывода или интерпретатор правил, перебирающий правила из продукционной базы знаний. Продукционная модель чаще всего применяется в промышленных экспертных системах. Она обладает наглядностью, высокой модульностью, легкостью внесения дополнений и изменений, простотой механизма логического вывода.

Программные средства, реализующие продукционный подход: язык OPS 5; «оболочки» или «пустые» ЭС – EXSYS Professional, Карра, ЭКСПЕРТ и др.

В общем виде под продукцией понимают выражение следующего вида:

(i); Q; P; AB; N

где:

iимя продукции, с помощью которого данная продукция выделяется из всего множества продукций. В качестве имени может выступать лексема (понятие), отражающая суть продукции (покупка книги, выбор металлорежущего станка), или порядковый номер продукции в хранящемся в памяти системы их множестве (продукция №5).

Qсфера применения продукции. Разделение знаний на отдельные сферы позволяет экономить время на поиск нужных знаний.

ABядро продукции, являющееся основным элементом продукции. Интерпретация ядра продукции может быть различной, зависит от того, что стоит слева от знака секвенции (). Обычно прочтение ядра выглядит так: ЕСЛИ A, ТО B. Более сложные конструкции ядра допускают в правой части альтернативный выбор: ЕСЛИ А, ТО В1, ИНАЧЕ В2. Секвенция может истолковываться в обычном логическом смысле как знак логического следования В из истинного А (если А не является истинным выражением, то о В-ничего сказать нельзя). Возможны и другие интерпретации ядра продукции, например А описывает некоторое условие, необходимое для того, чтобы можно было совершить действие В.

P - условие применимости ядра продукции. Обычно Р представляет собой логическое выражение (как правило, предикат). Когда Р принимает значение «истина», ядро продукции активизируется. Если Р ложно, то ядро продукции не может быть использовано. Например, если в продукции «НАЛИЧИЕ ДЕНЕГ; ЕСЛИ ХОЧЕШЬ КУПИТЬ ВЕЩЬ X, ТО ЗАПЛАТИ В КАССУ ЕЕ СТОИМОСТЬ И ОТДАЙ ЧЕК ПРОДАВЦУ» условие применимости ядра продукций ложно, т. е. денег нет, то применить ядро продукции невозможно.

N - постусловия продукции, актуализируются только в том случае, если ядро продукции реализовалось. Постусловия продукции описывают действия и процедуры, которые необходимо выполнить после реализации В. Например, после покупки некоторой вещи в магазине необходимо в описи товаров, имеющихся в этом магазине, уменьшить количество вещей такого типа на единицу. Выполнение N может происходить не сразу после реализации ядра продукции.

Если в памяти системы хранится некоторый набор продукций, то они образуют систему продукций. В системе продукций должны быть заданы специальные процедуры управления продукциями, с помощью которых происходит актуализация продукций и выбор для выполнения той или иной продукции из числа актуализированных.

В ряде ИС используются комбинации сетевых и продукционных моделей представления знаний. В таких моделях декларативные знания описываются в сетевом компоненте модели, а процедурные знания — в продукционном. В этом случае говорят о работе продукционной системы над семантической сетью.

Классификация ядер продукции:

Ядра продукций можно классифицировать по различным основаниям.

Все ядра делятся на два больших типа:

  • детерминированные - при актуализации ядра и при выполнимости А правая часть ядра выполняется обязательно (Если А, то B обязательно)).

  • недетерминированные - В может выполняться и не выполняться. Интерпретация ядра в этом случае может, например, выглядеть так: ЕСЛИ А, ТО ВОЗМОЖНО В.

Секвенция в детерминированных ядрах реализуется с необходимостью, а в недетерминированных — с возможностью.

Возможность может определяться некоторыми оценками реализации ядра. Например, если задана вероятность выполнения В при актуализации А, то продукция (в простейшем случае продукция состоит лишь из ядра) может быть такой: ЕСЛИ А, ТО С ВЕРОЯТНОСТЬЮ р РЕАЛИЗОВАТЬ В. Оценка реализации ядра может быть лингвистической, связанной с понятием терм-множества лингвистической переменной, например: ЕСЛИ А, ТО С БОЛЬШОЙ ДОЛЕЙ УВЕРЕННОСТИ В. Возможны иные способы задания оценки реализации ядра.

Детерминированные продукции могут быть:

  • однозначными;

  • альтернативными - в правой части ядра указываются альтернативные возможности выбора, которые оцениваются специальными весами выбора. В качестве таких весов могут использоваться вероятностные оценки, лингвистические оценки, экспертные оценки и т. п. (например, ЕСЛИ А, ТО ЧАЩЕ ВСЕГО НАДО ДЕЛАТЬ В1, РЕЖЕ В2).

Особым типом являются прогнозирующие продукции, в которых описываются последствия, ожидаемые при актуализации А, например: ЕСЛИ А, ТО С ВЕРОЯТНОСТЬЮ р МОЖНО ОЖИДАТЬ В.

Графически ядро можно представить в виде дерева:

Популярность продукционных моделей определяется следующими факторами:

  • Модульность. (Системы продукций являются модульными). Удаление, изменение, добавление любой продукции может выполняться независимо от всех остальных продукций (не приводит к изменениям в остальных продукциях). Знания вводятся неупорядоченно как в словаре или энциклопедии. Практика показывает, что это естественный способ пополнения своих знаний для эксперта.

  • Модифицируемость. Если добавляется или модифицируется какое-либо правило, то все, что было сделано ранее, остается в силе и к новому правилу не относится. Каждое изменение обладает свойством аддитивности и локальности.

  • Доступность чтения. Подавляющая часть человеческих знаний может быть записана в виде продукций. Человеческие знания являются модульными и поэтому продукционные системы более близки для их представления и легки для чтения.

  • Системы продукций при необходимости могут реализовать любые алгоритмы и способны отражать любое процедурное знание, доступное ЭВМ.

  • Способность к самообъяснению. Это свойство связано и с правилами и с их структурами внешнего управления. Система легко прослеживает цепочку правил, которую она использовала для получения вывода.

  • Наличие в продукциях указателей на сферу применения продукции позволяет эффективно организовать память, сократив время поиска в ней необходимой информации. Классификация сфер может быть многоуровневой, что еще более повышает эффективность поиска знаний.

  • При объединении систем продукций и сетевых представлений получаются средства, обладающие большой вычислительной мощностью.

  • Параллелизм в системе продукций, асинхронность их реализации делают продукционные системы удобной моделью вычислений для ЭВМ новой архитектуры, в которой идея асинхронности и параллельности является центральной.

Недостатки продукционной системы:

  • При большом числе продукций становится сложной проверка непротиворечивости системы продукций.

  • Из-за присущей системе недетерминированности (неоднозначного выбора выполняемой продукции из фронта активизированных продукций) возникают принципиальные трудности при проверке корректности работы системы

Наблюдение из практики: если число продукций > 1000, то мало шансов, что система продукций во всех случаях будет правильно функционировать.

5. Фреймовые модели представления знаний в интеллектуальных системах

Термин фрейм (от англ. frame – рамка, каркас) предложен Марвином Минским, одним из пионеров ИИ, в 70-е годы для обозначения структуры знаний для восприятия пространственных сцен.

Фрейм – это абстрактный образ для представления некоего стереотипа восприятия.

В психологии и философии существует понятие абстрактного образа. Например произнесение вслух слова «комната» порождает у слушателей образ комнаты: «жилое помещение с 4-мя стенами, полом, потолком, окнами и дверью, площадью 6-20 м2». Из описания ничего нельзя убрать (без окон будет чулан, а не комната), но в нем есть «дырки» или «слоты» - незаполненные значения некоторых атрибутов – количество окон, высота потолка и др. В теории фреймов такой образ комнаты называется фреймом комнаты. Фреймом называется и формализованная модель для отображения образа.

Различают фреймы-образцы, или прототипы (протофреймы), хранящиеся в базе знаний, и фреймы-экземпляры, которые создаются для отображения реальных фактических ситуаций на основе поступающих данных. Модель фрейма является достаточно универсальной, поскольку позволяет отобразить все многообразие знаний о мире через:

  • фреймы-структуры, использующиеся для обозначения объектов и понятий (заем, залог, вексель);

  • фреймы-роли (менеджер, кассир, клиент);

  • фреймы-сценарии (банскротство, собрание, празднование именин);

  • фреймы-ситуации (тревога, авария, рабочий режим устройства).

Во фреймовых моделях фиксируется жесткая структура информационных единиц, которая называется фреймом-прототипом (протофреймом). В общем виде она выглядит следующим образом:

(Имя фрейма:

Имя слота 1 (значение слота 1);

Имя слота 2 (значение слота 2);

...

Имя слота К (значение слота К)

)

Дополнительные столбцы предназначены для описания способа получения слотом его значения и возможного присоединения к тому или иному слоту специальных процедур, что допускается в теории фреймов.

Значением слота может быть практически что угодно – числа или математические соотношения, тексты на естественном языке, программы, правила вывода или ссылки на другие слоты данного фрейма или других фреймов. В качестве значения слота может выступать набор слотов более низкого уровня – реализация принципа «матрешки».

Если в качестве значения слота выступает имя другого фрейма, то образуются сети фреймов.

При конкретизации фрейма ему и слотам присваивают конкретные имена и происходит заполнение слотов. Из протофреймов получаются фреймы-экземпляры. Переход от исходного протофрейма к фрейму-экземпляру может быть многошаговым, за счет постепенного уточнения значений слотов.

Вообще существует несколько способов получения слотом значений во фрейме-экземпляре:

  • по умолчанию от фрейма-образца (Default-значение);

  • через наследование свойств от фрейма, указанного в слоте АКО;

  • по формуле, указанной в слоте;

  • через присоединенную процедуру;

  • явно из диалога с пользователем;

  • из базы данных.

Пример протофрейма

(Список студентов:

Фамилия (значение слота 1);

Год рождения (значение слота 2);

Специальность (значение слота 3);

Средний балл (значение слота 4)

)

Пример фрейма-экземпляра:

(Список студентов:

Фамилия (Иванов-Петров-Сидоров)

Год рождения (1980-1981-1982-1980)

Специальность (ОЗИ-САПР-ПрО)

Средний балл (4-4-5)

)

Связи между фреймами могут задаваться значениями специального слота с именем «Связь».

Важнейшее свойство теории фреймов – заимствование из теории семантических сетей наследования свойств. И во фреймах и в семантических сетях наследование происходит по AKO-связям (A-Kind-Of = это). Слот AKO указывает на фрейм более высокого уровня иерархии, откуда неявно наследуются, то есть переносятся, значения аналогичных слотов.

Пример. В сети фреймов понятие «ученик» наследует свойства фреймов «ребенок» и «человек», которые находятся на более высоком уровне иерархии. На вопрос «любят ли ученики сладкое» следует ответ «да», так как этим свойством обладают все дети, что указано во фрейме «ребенок». Наследование свойств может быть частичным, так как возраст учеников не наследуется из фрейма «ребенок», поскольку указан явно в своем собственном фрейме.

Основное преимущество фреймов как модели представления знаний – эта модель отражает концептуальную основу организации памяти человека, а также ее гибкость и наглядность. Специальные языки представления фреймов FRL (Frame Representation Language), KRL (Knowledge Representation Language), фреймовая «оболочка» Карра позволяют строить промышленные ЭС. Широко известны фрейм-ориентированные экспертные системы ANALYST, МОДИС, TRISTAN, ALTERID и др.

6. Сетевые модели представления знаний в интеллектуальных системах

В основе моделей этого типа лежит семантическая сеть. Сетевые модели формально задаются в виде H=1, C2, ..., Cn, Г>.

I – множество информационных единиц,

C1, C2, ..., Cn – множество типов связей между информационными единицами.

Г – отображение, задает между информационными единицами, входящими в I, связи из заданного набора типов связей.

В зависимости от типов связей, используемых в модели, различают классифицирующие сети, функциональные сети и сценарии.

В классифицирующих сетях используются отношения структуризации (сети позволяют в базах знаний вводить разные иерархические отношения между информационными единицами).

Функциональные сети характеризуются наличием функциональных отношений. Их иногда называют вычислительными моделями, т.к. они позволяют описать процедуры вычислений одних информационных единиц через другие.

В сценариях допускаются каузальные отношения, а также отношения типов «средство-результат», «орудие-действие» и т.п.

Если в сетевой модели допускаются связи различного типа, то ее обычно называют семантической сетью.

Термин «семантическая» означает «смысловая», а сама семантика – наука, устанавливающая отношения между символами и объектами, которые они обозначают, то есть наука, определяющая смысл знаков.

Семантическая сеть – это ориентированный граф, вершины которого – понятия, а дуги – отношения между ними.

В качестве понятий выступают абстрактные или конкретные объекты, а отношения – это связи типа: «это» («AKO - A-Kind-Of», «is»), «имеет частью» («has part»), «принадлежит», «любит». Особенность семантических сетей – обязательное наличие трех типов отношений:

  • класс – элемент класса (цветок – роза, инструмент - сверло)

  • свойство – значение (цвет-желтый, материал режущей части – Т15К6)

  • пример элемента класса (роза – чайная, сверло – по металлу)

Существует несколько классификаций семантических сетей, связанных с типами отношений между понятиями.

По количеству типов отношений:

  • однородные (с единственным типом отношений);

  • неоднородные (с различными типами отношений).

По типам отношений:

  • бинарные (отношения связывают два объекта);

  • N-арные (есть специальные отношения связывающие более двух понятий).

Наиболее часто в семантических сетях используются следующие отношения:

  • связи типа «часть - целое» («класс-подкласс», «элемент - множество» и т.п.);

  • функциональные связи (обычно определяются глаголами «производит», «влияет» и др.);

  • количественные (больше, меньше, равно...);

  • пространственные (далеко от, близко от, за, под, над...);

  • временные (раньше, позже, в течение...);

  • атрибутивные связи (иметь свойство, иметь значение);

  • логические связи (И, ИЛИ, НЕ);

  • лингвистические связи и др.

Проблема поиска решений в базе знаний типа семантической сети сводится к задаче поиска фрагмента сети, соответствующего некоторой подсети, отражающей поставленный запрос к базе.

Данная модель представления знаний была предложена американским психологом Куиллианом. Основное ее преимущество – она более других соответствует современным представлениям об организации долговременной памяти человека. Недостаток – сложность организации процедур поиска вывода на семантической сети.

Для реализации семантических сетей существуют специальные сетевые языки: NET, SIMER+MIR и др. Известны экспертные системы, использующие семантические сети в качестве языка представления знаний – PROSPECTOR, CASNET, TORUS.

Пример семантической сети

7. Логические модели представления знаний в интеллектуальных системах

Описания предметных областей, выполненные в логических языках, называются логическими моделями
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СТРУКТУРА ЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
В основе моделей такого типа лежит формальная система, задаваемая четверкой вида:
 M=
Структурные части: T
Множество  Т – множество базовых элементов различной природы (алфавит),
Структурные части: S
Множество S – множество синтаксических правил.
С их помощью из элементов Т образуют синтаксически правильные совокупности (формулы). Декларируется существование процедуры P(S), с помощью которой за конечное число шагов можно получить ответ на вопрос, является ли совокупность X синтаксически правильной.
Структурные части: A
Элементы А называются аксиомами.
Должна существовать процедура P(А), с помощью которой для любой синтаксически правильной совокупности можно получить ответ  на вопрос о принадлежности ее к множеству А.
АКСИОМА – утверждение, которое априорно считается истинным
Структурные части: B
Множество В – множество правил вывода. Применяя эти правила к элементам А, можно получать новые синтаксически правильные совокупности, к которым снова можно применять правила из В. Если имеется процедура P(В), с помощью которой можно определить для любой синтаксически правильной совокупности, является ли она выводимой, то соответствующая формальная система называется разрешимой. Именно правила вывода – наиболее сложная составляющая формальной системы.
В настоящий момент в логических моделях широко используется логика высказываний и предикат 1-го порядка.
Исчисление высказываний – формальная система, базовыми элементами которойявляются высказывания.
Исчисление высказываний изучает связи между этими высказываниями, которые задаются логическими связками (отрицанием, дизъюнкцией, конъюнкцией, импликацией и др.)
Исчисление, в котором наряду с формулами исчисления высказываний используются формулы, в которых могут входить отношения (предикаты), связывающие между собой группы элементов исчисления и кванторы общности и существования – исчисление предикатов. Исчисление предикатов, в котором под знаком квантора не могут находиться символы предикатов.

8. Нечеткая логика. Особенности нечетких моделей представления знания

Математический аппарат теории нечетких множеств позволяет описывать нечеткие понятия и знания, выполнять операции над ними, осуществлять нечеткие выводы, т.е. направлен на формализацию знаний человека о реальном мире, характеризующихся неопределенностью.

Характерные черты:

  • наряду или в дополнении к числовым переменным используются нечеткие величины и так называемые лингвистические переменные;

  • простые отношения между переменными описываются с помощью нечетких высказываний;

  • сложные отношения описываются нечеткими алгоритмами.

Преимущества нечетких моделей:

  • возможность формализации и обработки неточной, недопроверенной и противоречивой исходной информации (например на естественном языке);

  • наличие математического аппарата получения выводов в условиях такой информации;

  • соответствие интуитивному представлению человека о моделируемых понятиях и процессах.

Приложения:

  • обработка информации на естественном языке;

  • интеллектуальное управление сложными системами;

  • принятие решений в условиях неопределенности.

Основные понятия:

  • Нечеткое множество (Fuzzy set) – для x€Х нет однозначного ответа относительно свойства R, а также элементы могут принадлежать нечеткому множеству в разной степени. Функция принадлежности устанавливает степень принадлежности элемента подмножеству А множества М. А = {0,3/x1; 0/ x2; 1/x3}. Она определяет субъективную степень уверенности эксперта, что данное значение базовой шкалы соответствует определенному нечеткому множеству. Она может быть трапециевидной, колоколообразной, треугольной, гауссовой …

Точка перехода – элемент со степенью принадлежности 0,5

Х- универсальное множество

х€Х- элемент Х

R- некоторое свойство

μ А(х)- характеристическая функция

  • Нечеткая переменная (Fuzzy variable) - тройка <α, X, A>, где

α – имя переменной, X – множество элементов или область определения,

А={<μA(x)/x>} – нечеткое множество на Х, описывающее возможные значения нечеткой переменной(определяет семантику):

<Высокий рост, {170, 180, 190}, {0.7/170, 0.8/180, 0.9/190}>

  • Лингвистическая переменная (Linguistic variable) (ЛП) – переменная, значение которой определяется набором вербальных (совестных) характеристик некоторого свойства.

Например: ЛП «Рост» = {карликовый, низкий, средний, высокий, гигантский}

Определяется <β, Т, Х, G, M>, где

β – имя, Т - базовый терм (множество значений ЛП), Х – множество определения ЛП,

G – синтаксическая процедура, позволяющая оперировать элементами из Т-множества, генерировать новые значения лингвистической переменной, исходя их базового Т-множества, логических операций (и, или, не) и модификаторов (очень, слегка)

М – семантическая процедура – позволяет превратить новое значение ЛП, образуемое процедурой G в нечеткую переменную, путем формирования соответствующего нечеткого множества.

Например: М(α1 или α2) = А1UА2; М(α1 и α2) = А1∩А2; М(не α1) = ⌐А1;

М(очень α1) = con (A1); - концентрация

М(слегка α1) = dil (A1); - растяжение

9. Назначение, функции и структура экспертных систем

Экспертные системы – это сложные программные продукты, аккумулирующие знания специалистов в конкретных предметных областях и тиражирующие этот эмпирический опыт для консультаций менее квалифицированных пользователей.

Экспертная система – это программа для компьютера, которая оперирует со знаниями в определенной предметной области с целью выработки рекомендаций или решения проблем.

Обобщенная структура экспертной системы

Реальные ЭС могут иметь более сложную структуру, но указанные на рис. блоки присутствуют в любой ЭС.

Процесс функционирования ЭС можно представить следующим образом:

  • Пользователь, желающий получить необходимую информацию, через пользовательский интерфейс посылает запрос к ЭС.

  • Решатель, пользуясь базой знаний, генерирует и выдает пользователю подходящую рекомендацию, объясняя ход своих рассуждений при помощи подсистемы объяснений.

Пользователь – специалист предметной области, для которого предназначена система. Его квалификация может быть недостаточно высока и он нуждается в помощи со стороны ЭС.

Инженер по знаниям (когнитолог, инженер-интерпретатор, аналитик) – специалист в области ИИ, выступающий в роли промежуточного буфера (звена) между экспертом и базой знаний.

Интерфейс пользователя – комплекс программ, реализующих диалог пользователя с ЭС как на стадии ввода информации, так и при получении результатов.

База знаний (БЗ) – ядро ЭС, совокупность знаний предметной области, записанная на машинный носитель в форме, понятной эксперту и пользователю (обычно на языке, приближенном к естественному). Параллельно такому «человеческому» представлению существует БЗ во внутреннем «машинном» представлении.

Решатель(дедуктивная машина, машина вывода, блок логического вывода) – программа, моделирующая ход рассуждений эксперта на основании знаний, имеющихся в БЗ.

Подсистема объяснений – программа, позволяющая пользователю получить ответы на вопросы: «Как была получена та или иная рекомендация?» и «Почему система приняла такое решение?». Ответ на вопрос «как» - это трассировка всего процесса получения решения с указанием использованных фрагментов БЗ, то есть всех шагов цепи умозаключений. Ответ на вопрос «почему» - ссылка на умозаключение, непосредственно предшествовавшее полученному решению, то есть отход на один шаг назад. Развитые системы объяснений поддерживают и другие типы вопросов.

Интеллектуальный редактор БЗ – программа, предоставляющая инженеру по знаниям возможность создавать БЗ в диалоговом режиме. Включает в себя систему вложенных меню, шаблонов языка представления знаний, подсказок и других сервисных средств, облегчающих работу с БЗ.

С техн. т.з. ЭС – программный пакет для решения неформализованных задач на основе знаний о предметной области и опыта экспертов. Технологию построения ЭС называют инженерией знаний

ЭС применяются: интерпретация, прогноз, диагностика, планирование, наблюдение, отладка, ремонт, обучение и т.п.

В современных ЭС существуют 3 основных метода представления знаний.

  1. Правила (Если <условие> то <действие>)

  2. Семантические сети. СС – ориентированный граф, вершины которого – понятия, а дуги – отношения между ними

  3. Фреймы. {,,,…,,}N – имя фрейма, Si – имя слота, Vi – значение слота

10. Назначение и структура интеллектуальных подсистем в современных САПР

Специфика ИСАПР состоит в моделировании процесса проектирования, а в более широком плане, в управлении жизненными циклами как продукта проектирования (товара), так и процесса, так и средств проектирования. Грубо говоря, ядро ИСАПР = (система моделей продукта + система моделей процесса проектирования).
ИСАПР есть обычная САПР плюс надстройка, обеспечивающая работу со знаниями, ассоциативный поиск и т.п.
Интеллектуальные компоненты в САПР ТП Автопроект («АСКОН»).
В основу работы САПР ТП «КОМПАС – АВТОПРОЕКТ» положен принцип заимствования ранее принятых технологических решений. В процессе эксплуатации системы накапливаются типовые, групповые, единичные технологии, унифицированные операции, планы обработки конструктивных элементов и поверхностей. Разработка технологических процессов осуществляется в следующих режимах:

  • проектирование на основе технологического процесса – аналога (автоматический выбор соответствующего ТП из базы данных с последующей его доработкой в диалоговом режиме);

  • формирование ТП из отдельных блоков, хранящихся в библиотеке типовых технологических операций и переходов;

  • объединение отдельных операций архивных технологий;

  • автоматическая доработка типовой технологии на основе данных, переданных с параметризированного чертежа КОМПАС – ГРАФИК (чертежно – конструкторского редактора);

  • разработка ТП в режиме прямого документирования в диалоговом режиме с помощью специальных процедур к справочным базам данных.

Одним из основных преимуществ КОМПАС – АВТОПРОЕКТ является возможность модернизации системы без участия разработчика самими пользователями. Корректируются состав и структура всех баз данных, настраиваются формы технологических документов, подключаются новые программные модули.
Гибкость программного и информационного обеспечения позволяет быстро адаптировать систему к любым производственным условиям. Инструментальные средства системы позволяют разрабатывать на ее основе пользовательские приложения.
Интеллектуальные компоненты в САПР ТП TechCARD (НПП «Интермех»).
Одной из основных целей, поставленных при разработке системы TECHCARD, всегда была максимально возможная автоматизация труда пользователей. В этой системе можно определить правила автоматического подбора оснастки, оборудования, исполнителей и вспомогательных материалов. Автоматический подбор оснастки может использовать сложные условия и выбирать инструменты нужных размеров, причем при этом можно использовать не только параметры той операции или перехода, для которой происходит подбор. В состав системы TECHCARD входит полномасштабная экспертная система TECHEXP, которая позволяет организовать произвольные расчеты с использованием математических формул и технологических таблиц. На многих предприятиях эта система позволила полностью автоматизировать расчет режимов резания, допусков и припусков при обработке деталей, а также нормирование.

«Автоматизация конструкторского и технологического проектирования»

  1. Предпосылки автоматизации инженерного труда. Преимущества использования САПР. Понятие проектирования. Основные этапы (стадии) проектирования.

  2. Структура, классификация и анализ функциональных возможностей современных интегрированных САПР (CAD/CAM/CAE-систем).

  3. Область применения, методы и оборудование быстрого прототипирования.

  4. Исходная информация для проектирования ТП. Методы автоматизации проектирования ТП (проектирование ТП на основе заимствования технологии детали-аналога, метод проектирования  унифицированных технологических процессов, метод синтеза ТП).

  5. Основные преимущества применения станков с ЧПУ. Функциональная схема управления станком с ЧПУ. Классификация систем ЧПУ.

  6. Структура, назначение и функциональные возможности современных CAM-систем (модулей) (на примере ГеММа 3D, SolidCAM и др.).

  7. Автоматизация разработки ТП в современных САПР (на примере Компас/Автопроект, T-Flex/Технология, T-Flex/ТехноПро).

  8. Определение, задачи и функции АСТПП. Состав и назначение АСТПП. САПР ТП механической обработки.

  9. Типы трехмерных моделей. Основные операции получения трехмерных геометрических моделей.

  10. Обзор функциональных возможностей современных отечественных и зарубежных интегрированных САПР в машиностроении.

  11. Назначение, структура и основные функциональные возможности интегрированной САПР T-Flex.

  12. Назначение, структура и основные функциональные возможности интегрированной САПР Компас.

  13. Назначение, структура и основные функциональные возможности современных зарубежных интегрированных САПР.

  14. Структура, назначение и функциональные возможности CAE-систем.

1. Предпосылки автоматизации инженерного труда. Преимущества использования САПР. Понятие проектирования. Основные этапы (стадии) проектирования.

Предпосылки автоматизации инженерного труда

  • постоянное увеличение объема информации

  • необходимость снижения сроков проектирования и освоения производства

  • необходимость снижения стоимости продукции при высоком качестве

  • необходимость быстрого обмена информацией в рамках производственных объединений со множеством географически удаленных филиалов

Преимущества использования САПР

  • резкое снижение времени проектирования и производства

  • высокое качество проектной документации и проектных решений

  • простота внесения изменений в проектную документацию

  • возможность проектирования сложного изделия несколькими пользователями

  • возможность избежать ошибки при производстве путем предварительной эмуляции обработки на ЭВМ

Проектирование – процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта на основе первичного описания данного объекта и (или) алгоритма его функционирования.

Это сложный творческий процесс, основанный на глубоких научных знаниях, использовании накопленного практического опыта и навыков в определенной сфере.

Включает в себя комплекс исследовательских, расчетных и конструкторских работ, целью которых является получение описания предмета проектирования, необходимого и достаточного для создания нового изделия реализации нового процесса, удовлетворяющего заданным требованиям.

Проектирование технического объекта – создание, преобразование, представление в принятой форме образа еще не существующего объекта. Образ создается в воображении человека или генерируется в соответствии с некоторыми алгоритмами при взаимодействии с ЭВМ.

Осн.этапы:

ТЗ (исходное описание объекта)→Процесс проектирования (Эскизное проектирование, Техническое проектирование, Рабочее проектирование) →Комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях (проект).

1.Подготовительный этап (предпоректный). Осн.задачи: изучение назначения изделия, условий эксплуатации и производства, на котором предполагается изготовление. Цель этапа – разработка ТЗ, в котором содержится информация о назначении, основных тех.характеристиках, условиях эксплуатации, транспортировки и хранения.

2. Эскизное проектирование. Основная задача – определение возможности разработки изделия в соответствии с требованиями ТЗ. Определяют техническую основу изделия (физические элементы и детали), ориентировочную оценку состава и количества оборудования, разрабатывают структуру, определяют технические характеристики изделия и устройств, входящих в его состав. На этом этапе может выявиться невозможность построения изделия, отвечающего требованиям ТЗ. Тогда

-корректировка ТЗ с последующим утверждением

- прекращение дальнейшей разработки

3. Техническое проектирование. Задачи:

    • подробная разработка принципа работы изделия,

    • уточнение технических характеристик,

    • разработка конструкции блоков, узлов и всего изделия,

    • получение конструкторских характеристик,

    • согласование взаимодействия всех составных частей изделия

    • разработка технологии их изготовления

    • определение технологии сборки и наладки, методики испытаний

Результат – подготовленное производство опытного образца

  1. Рабочее проектирование. Задача – разработка технологической оснастки и оборудования для серийного производства изделия.

Внедрение САПР не изменяет сути процесса проектирования, но повышает производительность труда и качество проекта.

САПР- организационно-техническая структура, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования.

Автоматизированное проектирование- такое проектирование при котором отдельные преобразования, описания объекта и алгоритма его функцианирования или алгоритма процесса, а также представление описаний на различных языках осуществляется взаимодействием человека и ЭВМ

  1. Структура, классификация и анализ функциональных возможностей современных интегрированных САПР (CAD/CAM/CAE-систем).

САПР- организационно-техническая структура, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования.

Автоматизированное проектирование- такое проектирование при котором отдельные преобразования, описания объекта и алгоритма его функцианирования или алгоритма процесса, а также представление описаний на различных языках осуществляется взаимодействием человека и ЭВМ

CAD/CAM/CAE – представляют собой интегрированные системы автоматизированного проектирования, инженерного анализа, производства и документирования изделий различной сложности в масштабах предприятия.

  1. CAD (Computer Aided Design) – системы автоматизированного проектирования (для автоматизации конструкторских работ):

а) построение модели проектируемого изделия в виде чертежа или трехмерной модели.

б) построение пространственной геометрической модели проектируемого изделия.

  1. CAE (Computer Aided Engineering) – (компьютерное моделирование) содержат средства инженерного анализа и автоматизации инженерных расчетов для анализа и оценки проектно-конструкторских и технологических решений.

  1. CAM (Computer Aided Manufacturing) – (автоматизация управления технологическими процессами) используется при разработке управляющих программ для станков с ЧПУ.

PDM (Products Document Management) – автоматизация документооборота.

Системы тяжелого класса:

Сложные многоуровневые системы, в состав которых входит большой набор модулей (40-100) различного функционального назначения.

Системы среднего класса:

Имеют менее широкий набор модулей, обеспечивают не высокую функциональность при проектировании по сравнению с тяжелыми системами. Вместе с этим средние системы обладают достаточно развитыми функциями твердотельного, поверхностного и параметрического моделирования.

Многоуровневые САПР:

Это разнообразные комбинации из систем различного уровня на 1 предприятии.

Специализированные системы:

Направлены на решения задач из определенной области. И содержит средства специализированные только для этой отрасли.

Для развитой CAD/CAM –системы характерно сочетание следующих свойств:

  1. параллельность проектирования и изготовления

  2. твердотельное моделирование деталей и сборок

  3. точное моделирование сложных поверхностей

  4. автоматическое черчение и оформление чертежей

  5. генерация программы изготовления детали изделия и технологической оснастки на оборудовании с ЧПУ

  6. автоматизация расчетов, анализа и оптимизация конструкций

  7. концептуальное проектирование новых изделий

  8. прокладка и разводка соединительных систем в трехмерном пространстве

  9. получение фотореалистических изображений

  1. Область применения, методы и оборудование быстрого прототипирования.

Быстрое прототипирование-это процесс послойного построения физической модели (прототипа) в соответствии с геометрией математической модели(Cad- модели).

  • Стереолитография (STL - stereo-lithography); Лазерная стереолитография – лазерно-инф. технология оперативного изготовления пластиковых моделей объектов со сколь угодно сложной формой поверхности по их 3D модели. (ванна наполнена порошком, элеватор спускается на определенный уровень и порошок спекается лазером)

  • Отверждение на твердом основании (SGC - Solid Ground Curing) – облучение ультрафиолетовой лампой через фотомаску;

  • Послойное наложение расплавленной полимерной нити (FDM - Fused Deposition Modeling) (нить через сопло наносится на поверхность элеватора);

  • Распыление термопластов (BPM - Ballistic Particle Manufacturing);

  • Лазерное спекание порошков (SLS - Selective Laser Sintering) (порошок роликом распределяется по поверхности и спекается лазером);

  • Ламинирование листовых материалов (LOM - Laminated Object Modeling) (бумага через термовалик подается на стол и лазером вырезается очередной слой).

  • Технология струйного моделирования – печатающая головка послойно наносит материал на поверхность

  • Технология склеивания порошков – роликом раскатывается порошок и слои склеиваются между собой.

Преимущества технологий БП

  • Сокращение длительности технической подготовки производства новой продукции в 2-4 раза.

  • Снижение себестоимости продукции, особенно в мелкосерийном или единичном производстве в 2-3 раза.

  • Значительное повышение гибкости производства.

  • Повышение конкурентоспособности производства.

  • Сквозное использование компьютерных технологий, интеграция с системами САПР.

Недостатки технологий БП

  • Относительно высокая цена установок и расходных материалов.

  • Невысокая точность

  • Относительно низкая прочность моделей

  • С течением времени недостатки постепенно устраняются - снижаются цены, увеличивается выбор технологий и материалов

  1. Исходная информация для проектирования ТП. Методы автоматизации проектирования ТП.

ТП- последовательность технологических операций, необходимых для выполнения определенного вида работ.

Технологическая операция- часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте.

1. Базовая информация

Данные, содержащиеся в конструкторской документации на изделие; программа выпуска, определяющая тип производства; сведения о средствах технологического оснащения, производственных площадях.

2.Руководящая информация

Данные содержатся в следующих источниках: стандарты ЕСТПП, отраслевые стандарты, стандарты предприятий на техпроцессы и техническое оснащение, производственные инструкции

3. Справочная информация

Данные содержатся в следующих источниках: Документация на действующие техпроцессы по данному виду обработки, описания прогрессивных методов обработки, каталоги, справочники технологического оборудования и оснастки, материалы по выбору технологических нормативов

Последовательность применения методов:

  • Метод унифицированных ТП.

  • Метод синтеза.

  • Метод поиска детали-аналога.

1. Деталь –» Унифицированный ТП –» Рабочий ТП

Реализация метода: производится привязка детали к УТП. Алгоритм привязки основывается на сравнении 2-х объектов.

На основании такого сравнения делается вывод о верности использования УТП. После выбора УТП производится его анализ и доработка до конкретной детали. Производят анализ на возможность использования оставшихся тех. операций.

2. Основывается на синтезе ТП и операций. Типизация решений в данном случае выполняется на уровне перехода. Для каждой поверхности детали производится разделение на промежуточные состояния и выбираются методы их обработки. Разработка технологического маршрута обработки производится на основании анализа размерных связей элементов детали и синтеза схем базирования.

3. Проектирование ТП на основе заимствования технологии – в основе лежит подбор детали – деталь –» деталь-аналог –» процесс на деталь-аналог –» процесс на деталь.

Необходимо иметь информационно-поисковую систему (ИПС). В БД должны находиться поисковые образцы деталей и их ТП. С помощью ИПС технологического назначения находят детали-аналоги. ТП на деталь-аналог используют в качестве базового варианта. Этот вариант позволяет перейти на следующий уровень – уровень операций. Базовый процесс корректируется применительно к параметрам детали путем изменения структуры процесса, параметров режущего, измерительного инструмента; в результате получается рабочий ТП. Качество ТП зависит от результатов поиска детали-аналога, т.е. от эффективности работы ИСП.

  1. Основные преимущества применения станков с ЧПУ. Функциональная схема управления станком с ЧПУ. Классификация систем ЧПУ

ЧПУ (NC) – управление обработкой заготовки на станке по управляющей программ, к которой данные заданы в цифровой форме

Управляющая программа (УП) – совокупность команд на языке программирования, соотв. заданному алгоритму функционирования станка для обработки конкретной заготовки

Кадр УП – составная часть УП, вводимая и обрабатываемая как единое целое и содержащее не менее одной команды

Система ЧПУ (СЧПУ) – совокупность функционально взаимосвязанных и взаимодействующих технических и программных средств, обеспечивающих ЧПУ станком

Устройство ЧПУ (УЧПУ) – устройства, выдающее управляющее воздействие на исполнительные органы станка в соотв. с УП и информации о состоянии управляемого объекта

Аппаратное уст-во ЧПУ – УЧПУ, алгоритмы работы которого реализовываются схемным путем и не могут быть изменены после изменения устройства

Программное уст-во ЧПУ – УЧПУ, алгоритмы работы которого реализуются с помощью программ, вводимых в его память, и могут быть изменены после изготовления устройства

Преимущества:

  • Сокращение сроков подготовки производства

  • Сокращение общей продолжительности цикла изготовления продукции

  • Экономия средств на проектирование и изготовление технологической оснастки

  • Повышение производительности труда за счет сокращения вспомогательного и основного времени обработки на станке

  1. NC (Numerical Control) — системы ЧПУ с покадровым чтением перфоленты на протяжении цикла обработки каждой заготовки;

  2. SNC (Stored Numerical Control) — системы ЧПУ с однократным чтением всей перфоленты перед обработкой партии одинаковых заготовок;

  3. CNC (Computer Numerical Control)—системы ЧПУ со встроенной мини-ЭВМ (компьютером, микропроцессором);

  4. DNC (Direct Numerical Control)—системы прямого числового управления группами станков от одной ЭВМ;

  5. HNC (Handled Numerical Control) — оперативные системы ЧПУ с ручным набором программ на пульте управления.

  6. VNC (Voice Numerical Control)

NC – станки 1-го и 2-го поколения, отсутствует оперативная память – покадровое чтение программы на протяжении цикла обработки каждой заготовки, программоноситель – перфолента, отдельные команды могут быть введены с пульта управления УЧПУ или панели управления станком.

SNS – отличаются от NC увеличенным объемом памяти, позволяют прочитать все кадры программы и разместить информацию в запоминающем устройстве большой емкости.

Примеры УЧПУ классов NC и SNC: токарные станки Н22, контур. 2ПТ, фрезерные станки Н33, контур. 3П, сверл.-расточные, шлифовальные, электроэрозионные.

CNC – основаны на больших интегральных схемах (БИС), наличие большой встроенной памяти, возможность исправлять и корректировать в процессе эксплуатации, наличие постоянных циклов, программоноситель – перфолента, магнитная лента, видеотерсинал, ручной ввод, сигналы внешних ЭВМ

DNC – система производства, состоящая центрального компьютера, управляющего несколькими станками одновременно, управляющие компьютеры получают данные из собственного устройства хранения или из внешнего источника и пересылаются по каналам связи

HNC – позволяют ручной ввод программ в память микроЭВМ с пульта УЧПУ, построены на базе CNC, позволяют вести подготовку УП непосредственно у станка по чертежу

VNC – позволяют вводить информацию голосом, не получили широкого распространения в промышленности

Типы ЧПУ

  1. Позиционное – это такое ЧПУ, при котором рабочие органы станка перемещаются в заданные точки, причем траектория движения не задаются (сверлильные станки, установка компонентов на печатной плате)

Контурное – это такое ЧПУ, при котором рабочие органы станка перемещаются по заданной траектории и с заданной скоростью для получения необходимого контура обработки (фрезерование, точение, шлифование)

6. Структура, назначение и функциональные возможности современных отечественных CAM-систем (модулей) (на примере ГеММа 3D)

CAM-системы предназначены для решения задачи формирования управляющих программ для обработки деталей на станках с ЧПУ. При этом модели деталей, на основе которых строится процесс обработки, не создаются в CAM-системе, а загружаются из CAD-систем через согласованные интерфейсы.

Центральной задачей, на решение которой ориентирована система, является получение эффективных программ обработки наиболее сложных деталей на станках с ЧПУ, изготавливаемых с помощью фрезерования, сверления, электроэрозионной резки, вырубки, токарной обработки, гравировки.

Модули:

Система геометрического моделирования и программирования обработки на станках с ЧПУ ГеММа-3D

  • Модуль фрезерной обработки

  • Модуль электроэрозионной обработки

  • Модуль гравировки

  • Модуль токарной обработки

  • Модуль обработки листового материала

  • Редактор кода машинных программ CheckNC

  • Модуль расширенной 5D обработки

Назначение системы

  • Построение математических моделей деталей и агрегатов любой степени сложности.

  • Доработка математических моделей в соответствии с требованиями технологического процесса обработки конкретным инструментом на определенном оборудовании с ЧПУ.

  • Подготовка управляющих программ для станков с ЧПУ: фрезерных (2-х, 3-х, 4-х, 5-и координатных), электроэрозионных (2-х, 3-х, 4-х координатных), сверлильных, токарных, гравировальных.

  • Подготовка технологических эскизов и технологических карт.

  • Обработка результатов измерений изделий для оценки точности изготовления.

Программирование обработки

  • Программы обработки контуров деталей, карманов и колодцев с учетом попутного или встречного фрезерования, а также введения режима коррекции.

  • Обработка поверхностей по изопараметрическим линиям или шаблонам

  • Проекция плоских траекторий инструмента (шаблонов) на обрабатываемую поверхность (оболочку). Обработка контура на поверхности по полученной в 2D обработке траектории инструмента.

  • Черновая послойная обработка. Для заданной заготовки система позволяет построить наиболее эффективную траекторию черновой обработки. Различные способы снятия слоя (штриховка, эквидистанта, петля, подборка).

  • Получистовая обработка. Обработка группы поверхностей, объединенных в оболочку, по плоским сечениям.

  • Чистовая обработка оболочек с различными видами ограничений.

  • Подготовка специализированных 4-х и 5-и координатных программ для обработки межлопаточных каналов в центробежных вентиляторах.

  • Программы обработки контуров деталей, карманов и колодцев с учетом попутного или встречного фрезерования, а также введения режима коррекции.

  • Расширенные возможности гравировки на поверхностях. Гравирование вогнутых и выпуклых изображений на плоскости и поверхностях. Контурная гравировка. Рисунки для гравировки могут быть построены в системе ГеММа-3D (в состав включено более 100 шрифтов для гравирования надписей) или введены из любой другой системы. Имеется прямой интерфейс с системой CorelDRAW.

  • Чистовая обработка для 3-х, 4-х, 5-и осевых станков.

  • Токарная обработка

7. Автоматизация разработки ТП в современных САПР (на примере Компас/Автопроект, T-Flex/Технология)

T-FLEX Технология - программа для технологической подготовки производства.

Программа для технологической подготовки производства T FLEX Технология является полностью интегрированным приложением PDM-системы T FLEX DOCs. Такая архитектурная организация позволяет использовать в технологическом модуле часть необходимой конструкторско-технологической функциональности PDM, а также организовать единое информационно-справочное пространство для технологов и конструкторов. Состав изделия и разрабатываемые технологии сохраняются в общей базе данных. Механизмы маршрутизации документов и управления процессом проектирования позволяют описать типовые процессы перемещения документов между исполнителями и автоматизировать большинство рутинных действий.

Программа для технологической подготовки производства T-FLEX Технология позволяет автоматически отслеживать состояние работ над каждым техпроцессом, автоматически выдавать задания технологам, оповещать заинтересованных пользователей о завершении отдельных этапов контролируемых бизнес-процессов. T-FLEX DOCs обеспечивает для программы для технологической подготовки T-FLEX Технология многоуровневые средства по защите информации.

При формировании текстов переходов технолог имеет возможность считывать сведения о размерах, допусках, шероховатостях и т.п. с электронной модели T FLEX CAD.

Технологическая подготовка производства тесно связана с разработкой технологических схем, наладок, проектированием специальной оснастки и инструмента. Взаимодействие с САПР T-FLEX CAD выгодно отличает программу для технологической подготовки производства T-FLEX Технология.

При проектировании нового инструмента, оснастки или комплектующих в T-FLEX CAD, а также при создании операционных эскизов, их рабочие чертежи могут быть ассоциативно связаны с элементами справочников программы для технологической подготовки T-FLEX Технология. Отчетные документы также создаются с помощью стандартных возможностей T-FLEX CAD.

Проектирование технологических процессов

В программе для технологической подготовки T-FLEX Технология может быть спланирован маршрут изготовления изделий (расцеховка).

Программа для технологической подготовки производства T-FLEX Технология поддерживает режим проектирования сквозного технологического процесса.

Технологический процесс может состоять из операций, относящихся к различным классам: обработка резанием, сборочные, электромонтаж, испытания, получение различных покрытий, сварка, пайка, порошковая металлургия, электрофизическая и электрохимическая обработки, консервация и упаковывание, технический контроль и др.

Программа поддерживает различные методы проектирования: диалоговое проектирование с использованием баз технологических данных; проектирование на основе техпроцесса-аналога; заимствование технологических решений из ранее разработанных технологий; проектирование с использованием библиотеки технологических решений; проектирование групповых и типовых технологические процессов; из общего технологического процесса; автоматическое проектирование с использованием библиотеки технологических решений. При проектировании нового инструмента, оснастки или комплектующих в T-FLEX CAD, а также при создании операционных эскизов, их рабочие чертежи могут быть ассоциативно связаны с элементами справочников программы для технологической подготовки T-FLEX Технология.

8. Определение, задачи и функции АСТПП. Состав и назначение АСТПП. САПР ТП механической обработки.

АСТПП - система технологической подготовки производства, основу организации которой составляет систематизированное применение инженерно-технологических работ, обеспечивающих оптимальное взаимодействие людей, машинных программ, технических средств автоматизации при выполнении функций ТПП.

Структура АСТПП

ТПП- совокупность мероприятий, обеспечивающих технологическую готовность производства.

Технологическая готовность производства- наличие на предприятии полных комплектов конструкторской и технологической документации и средств технологического оснащения, необходимых для осуществления заданного объема выпуска продукциями с установленными технико-экономическими характеристиками.

Функции АСТПП:

  1. Целевые функции

  2. Собственные функции: организация управления ТПП, информационный поиск, информационное взаимодействие, проектирование и настройка программных систем, обучение специалистов.

Основным структурным элементом АСТПП являются подсистемы:

  1. Общего назначения.

Решают задачи: Информационного поиска; кодирования, контроля и преобразования информации; формирование данных для автоматизированных систем различного уровня; оформление технической документации.

  1. Специального назначения.

  • Подсистема обеспечения технологичности конструкции изделия

  • Подсистема проектирования техпроцессов

  • Подсистема конструирования средств технологического оснащения

  • Управление технологической подготовкой производства

  • Подсистема изготовления средств технологического оснащения


9. Типы трехмерных моделей. Основные операции получения трехмерных геометрических моделей.

В системах трехмерного моделирования используются три типа геометрических моделей конструируемых объектов: каркасные (проволочные), поверхностные и твердотельные.

Конструктивными элементами каркасной модели являются ребра и вершины. + простота (компактность при представлении). -с их помощью можно моделировать ограниченный класс объектов с использованием в качестве аппроксимирующих поверхностей плоскостей и поверхностей второго порядка, неоднозначность трактовки модели, невозможность распознавания граней (их нет) и тонирования таких моделей, невозможность удаления невидимых линий и расчета массово-инерц. хар.

Поверхностная модель: вначале создается трёхмерный каркас (вершины и ребра), на который затем “натягиваются” различные виды математических поверхностей. Системы поверхностного моделирования поддерживают различные виды поверхностей: линейчатые поверхности, кинематические поверхности и скульптурные поверхности.

Преимущество пов. моделирования: можно создавать геом. объекты любой степени сложности. Недостаток: невозможность получения корректных сечений из-за нулевой толщины пов-ти и невозможность расчета массово-инерц. хар.

Поверхностного моделирование явл. кропотливым процесом – требует знаний по начерт.геом. и развитого пространственного мышления.

Твёрдотельная модель строится из базовых элементов с использованием соответствующих операций: булевы операции, выталкивание, вращение, лофтинг, разделение твёрдых тел. САПР допускает следующие доп. операции: построение скруглений, построение отверстий на гранях, построение рёбер жёсткости, построение фасок, уклонов.

Твёрдотельная модель хранится в САПР в виде дерева построения.

Преимущество твёрдотельного моделирования:

1.Простота параметризации.

2.Возможность расчёта масс-инерционных хар-к и разбивка на сетку конечных элементов.

3.Относительная простота моделирования.

Недостаток: ограниченность конструктивных форм создаваемых моделей

Наиболее известные коммерческие ядра твердотельного геометрического моделирования для CAD\CAM\CAE систем – ACIS и Parasolid.

Гибридные модели – это получение одной модели из другой (из каркас. – поверхн.)

В общем случае нельзя утверждать, что одна модель во всем лучше другой. Так, например, граничная модель удобна для выполнения операций визуализации (удаление невидимых частей, закраска и т.п.), с другой стороны модель в виде дерева построения естественным образом может обеспечить параметризацию объекта, т.е. модификацию объекта изменением тех или иных отдельных параметров, вплоть до убирания каких-либо составных частей, но не удобна для визуализации, так как требует перевычисления объекта по дереву построения.

Типовые инструменты для получения базовых тел позволяют выполнить:

  • выдaвливaние задaнного контуpa с возможностью укaзaния угла нaклонa обpaзующей;

  • вращение контура вокруг оси;

  • создание твердого тела, ограничиваемого поверхностью перехода между заданными контурами;

  • выдавливание контура вдоль заданной кривой;

  • построение фасок и скруглений различного вида;

  • построение уклонов;

  • создание различного типа отверстий;

  • получение развертки тел равномерной толщины.

10. Обзор функциональных возможностей современных отечественных и зарубежных интегрированных САПР в машиностроении.

В настоящее время крупнейшими разработчиками CAD/CAM-систем являются компании Parametric Technology Corporation (PTC); Dassault Systemes (DASTY); Autodesk (ADSK); Unigraphics Solutions (UGS) и Structural Dynamics Research Corporation (SDRC).

Компания Dassault Systemes (ПО CATIA, SolidWorks, ENOVIA CATIA, DELMIA) является лидером рынка.

Компания PTC (ПО Pro/Engineer, Windchill) в отношении продажи лицензий пережила длительный период спада (хотя и осталась крупнейшей на рынке CAD/CAM/PDM).

Объемы продаж новых лицензий компании Unigraphics Solutions (ПО Unigraphics, Solid Edge, iMAN, Parasolid) достаточно устойчивы.

Показатели компании Autodesk анализировать достаточно непросто в связи с тем, что в своих публичных отчетах компания не разделяет доходы, полученные от продажи лицензий, с доходами от оказания услуг.

T-FLEX CAD Система параметрического проектирования и черчения T-FLEX CAD является разработкой российской фирмы "Топ Системы". Система обладает следующими основными возможностями: параметрическое проектирование и моделировании; проектирование сборок и выполнение сборочных чертежей; полный набор функций создания и редактирования чертежей; пространственное моделирование, базирующееся на технологии ACIS; параметрическое трёхмерное твёрдотельное моделирование; управление чертежами; подготовка данных для систем с ЧПУ; имитация движения конструкции.

КОМПАС Один из лидирующих российских продуктов. CAD-система, предназначенная для широкого спектра проектно-конструкторских работ, лёгкая в освоении, удобная в работе и при этом имеющая стоимость, приемлемую для комплексного оснащения российских предприятий, в том числе средних и малых. Позволяет осуществлять двумерное проекти-рование и конструирование, быструю подготовку и выпуск разнообразной чертёжно-конструкторской документации, создание технических текстово-графических документов.

CADMECH Система проектирования деталей и сборочных единиц на базе AutoCAD.
SolidWorks Мощный машиностроительный CAD пакет для твёpдотельного пapaметpического моделиpовaния сложных деталей и сборок. Системa констpуиpовaния сpеднего клaссa, бaзиpующaяся нa пapaметpическом геометpическом ядpе Parasolid. Создaнa специaльно для использовaния нa пеpсонaльных компьютеpaх под упpaвлением опеpaционных систем Windows 95 и Windows NT.

SolidCAM Пакет генерации управляющих программ для станков с ЧПУт при обработке деталей, содержащих сложную поверхностную или твердотельную геометрию. Обеспечивает 2,5 и 3-осевую фрезерную обработку, токарную обработку, визуализацию процесса обработки.
Pro/ENGINEER Система высокого уровня, САПР для единого цикла проектирование-производство. Программный комплекс Pro/ENGINEER охватывает весь цикл "конструирование - производство" в машиностроении. Ядро Pro/ENGINEER использует уникальную по своим возможностям технологию - Proven Technology, основанную на граничных представлениях.

CATIА/CADAM Solutions - это полностью интегрированная универсальная CAD/CAM/CAE система высокого уровня, позволяющая обеспечить параллельное проведение конструкторско-производственного цикла CATIA, являясь универсальной системой автоматизированного проектирования, испытания и изготовления, широко применяется на крупных машиностроительных предприятиях во всем мире для автоматизированного проектирования, подготовки производства, реинжиниринга.

11. Назначение, структура и основные функциональные возможности интегрированной САПР Pro/E

Pro/ENGINEER - это многомодульная ассоциативная система, позволяющая работать в едином информационном пространстве проектировщикам-механикам, проектировщикам-электрикам, расчетчикам, технологам и дизайнерам. При использовании в производстве станков с ЧПУ Pro/ENGINEER позволяет выполнять весь перечень работ от эскиза детали до передачи данных управляющей программе обрабатывающего станка.

  • Pro/ENGINEER - это система трехмерного (3D) твердотельного проектирования. Следует отметить, что CAD система Pro/ENGINEER, появившаяся в восьмидесятых годах, изначально создавалась как система 3D твердотельного проектирования. Преимущества 3D проектирования очевидны, это наглядность в работе и удобство при создании сложных деталей и компоновок. Черчение в процессе создания чертежей отсутствует. Виды создаются как оформленные определенным образом представления 3D модели.

  • Вся информация в Pro/ENGINEER параметризирована. Это позволяет быстро модернизировать геометрию на любой стадии проектирования и легко осуществлять управление создаваемой конструкцией в процессе изменения исходных данных. Использование параметров модели позволяет автоматизировать заполнение штампов чертежей и создание спецификаций.

  • Создаваемая в Pro/ENGINEER документация полностью ассоциативна с исходной моделью. Любые изменения в модели приводят к автоматическому изменению всех использующих данную модель сборок, чертежей, спецификаций, технологических оснасток, управляющих программ для станков и т. д.

  • Pro/ENGINEER прост в использовании. Весь процесс создания модели идеологически близок процессу реального изготовления деталей.

  • Cистема Pro/ENGINEER и система Pro/Mechanica являются системами, позволяющими осуществлять согласованную разработку эскиза проекта, создание моделей, оформление чертежей, проведение прочностных и тепловых расчетов, анализов механизмов, создание литейных и пресс-форм, создание программ для станков с ЧПУ, создание спецификаций, проводку трубопроводов и электрических кабелей, создание принципиальных схем, фотореалистичных изображений и т.д. Работа во всех разделах системы Pro/ENGINEER может проводиться параллельно, что позволяет снизить время, затрачиваемое на разработку и подготовку производства, в несколько раз.

Модули CAD

Pro/ENGINEER: Полная функциональность твердотельного параметрического 3D моделирования.

Pro/CONCEPT: Комбинированные возможности разработки геометрии 2D & 3D: электронный создатель дизайнерских эскизов.

Pro/ENGINEER Advanced Assembly: Пакет проектирования "сверху-вниз", управление компонентами, узлами, подсборками и агрегатами.

Pro/ENGINEER Piping Design: Автоматизация разводки трубопроводов в 3D.

Pro/ENGINEER Expert Framework: Автоматизация проектирования рамочных, фермовых и решётчатых конструкций для механического проектирования и проектирования оборудования и оснастки.

Pro/ENGINEER Cabling Design: Автоматизация извлечения логической информации из схем соединений для автоматизации 3D разводки кабелей, проводников и жгутов.

Pro/ENGINEER Routed Systems Designer: Автоматизация переноса данных в Pro/ENGINEER для задач 3D проектирования трубопроводов, кабелей и жгутов.

Pro/ENGINEER Reverse Engineering: Автоматизация преобразования физического описания изделия в его двоичную электронную модель.

Pro/ENGINEER Advanced Rendering: Быстрое создание фотореалистических высококачественных изображений изделия.

Pro/ENGINEER Interactive Surface Design: Проектирование геометрии свободных ("скульптурных", класса А) поверхностей.

CAE-системы – это системы, содержащие средства инженерного анализа и автоматизации инженерных расчетов для анализа и оценки проектно-конструкторских решений.

CAE-модули системы Pro/ENGINEER:

  • Модуль Pro/ENGINEER Mechanica. Предназначен для комплексного исследования и оптимизации термомеханических характеристик изделий

  • Модуль Pro/ENGINEER Behavioral Modeling. Обеспечивает достижение требуемой функциональности и качества изделия путем встраивания в цифровую модель требований к поведению изделия в реальных ситуациях.

  • Модуль Pro/ENGINEER Mechanism Dynamics. С помощью этого модуля можно виртуально имитировать реакции в результате скоростей, ускорений и веса движущихся компонентов. Так же достичь требуемых характеристик работы изделия с помощью внесения в модель динамических влияющих факторов, такие как пружины, приводы, трение и гравитация.

  • Модуль Pro/ENGINEER Advanced Mechanica. Позволяет всесторонне оценить и оптимизировать изделия, повышая качество продукции, одновременно уменьшая затраты на прототипирование.

  • Модуль Pro/ENGINEER Fatigue Advisor. Предназначен для анализа процесса усталости материала, позволяющий повысить надежность изделия, прогнозировать и улучшать усталостные характеристики изделий.

  • Модуль Pro/ENGINEER Tolerance Analysis Extension. Предназначен для анализа геометрических отклонений и полей допусков. обеспечивает мощный инструмент анализа точности, полей допусков и предельных отклонений, позволяет анализировать влияние отклонений и размерных схем на конструкцию и технологичность изделия.

Модули CAM

  • Pro/ENGINEER Complete Machining:

Полное решение для всех промышленных станков с ЧПУ.

  • Pro/ENGINEER Prismatic and Multi-surface Milling:

Упрощённый модуль для наиболее массовых ЧПУ призматической обработки (2.2-3-осевой фрезерной) с виртуализацией самих процессов формообразования.

  • Pro/ENGINEER Production Machining:

Автоматизация продвинутой ЧПУ-обработки для тяжёлых промышленных приложений.

  • Pro/TOOLMAKER:

Pro/TOOLMAKER - простой в освоении модуль мощной высокоскоростной обработки для инструментального производства, прототипирования, иных высокоточных процессов с ЧПУ, включает в себя дружественный интерфейс создания траектории инструмента.

Pro/ENGINEER Computer-Aided Verification:

Цифровой анализ и верификация разработанных моделей деталей и сборок с точки зрения качества разработки.

  • Pro/ENGINEER Tool Design:

Настраиваемый и управляемый модуль разработки литейной оснастки.

  • Pro/ENGINEER Progressive Die:

Автоматизированное создание последовательных штампов любой степени сложности.

  • Pro/ENGINEER Expert Moldbase:

Модуль разработки комплектов пресс-форм.

  • Pro/ENGINEER Complete Mold Design:

Модуль автоматизированной разработки формообразующих элементов и пресс-форм.

  • Pro/ENGINEER NC Sheetmetal:

Модуль моделирования и оптимизации раскроя листовых материалов.

  • Pro/ENGINEER Plastic Advisor:

Модуль анализа и оптимизации процесса заполнения пресс-форм при литье пластмасс.

12. Назначение, структура и основные функциональные возможности интегрированной САПР Компас

Система КОМПАС-3D предназначена для создания трехмерных ассоциативных моделей отдельных деталей и сборочных единиц, содержащих как оригинальные, так и стандартизованные конструктивные элементы. Параметрическая технология позволяет быстро получать модели типовых изделий на основе однажды спроектированного прототипа. Многочисленные сервисные функции облегчают решение вспомогательных задач проектирования и обслуживания производства.

Основная задача, решаемая системой - моделирование изделий с целью существенного сокращения периода проектирования и скорейшего их запуска в производство.

Эти цели достигаются благодаря возможностям:

  • быстрого получения конструкторской и технологической документации, необходимой для выпуска изделий (сборочных чертежей, спецификаций, деталировок и т.д.);

  • передачи геометрии изделий в расчетные пакеты;

  • передачи геометрии в пакеты разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ;

  • создания дополнительных изображений изделий (например, для составления каталогов, создания иллюстраций к технической документации и т.д.).

КОМПАС - Автопроект - комплекс автоматизации технологической подготовки производства, предназначенный, для решения широкого спектра задач: автоматизированного проектирования технологических процессов, расчета оптимального количества материалов для производства изделия, расчета режимов обработки для различных видов производств, расчета оптимальных затрат труда, формирования необходимого комплекта технологических документов.

Задачи, связанные с ведением состава изделий, электронного архива технологий, и технологические модули, работающие с составом изделия (такие как расцеховка, формирование комплектовочных карт, подготовка сводных технологических отчетов и ведомостей, расчет материалоемкости и трудоемкости изготовления изделий в целом), выделены в подсистему КОМПАС-Автопроект-Спецификации. Центральное место в данной подсистеме занимает база данных конструкторско-технологических спецификаций (КТС), которая в технологической подготовке производства является прежде всего оглавлением архива разработанных технологических процессов (рис. 1). Состав изделий в КТС может быть импортирован из базы данных КОМПАС-Менеджер или из спецификаций КОМПАС-График. Если на предприятии используется собственная PDM-система, то функции КОМПАС-Автопроект-Спецификации могут быть переданы ей в полном объеме.

Технологу предоставлен удобный способ навигации по базе данных КТС в виде графической схемы взаимосвязанных объектов (см. рис. 1). Каждому объекту схемы соответствуют выборка из реляционной таблицы, выполненная по настраиваемому SQL-запросу; представление или хранимая процедура SQL-сервера, корректировка которых доступна пользователю с правами администратора. Обеспечивается свободное перемещение по схеме от объекта к объекту, с возможностью просматривать и редактировать любой элемент состава изделия. Каждый такой элемент, будь то сборочная единица, деталь, материал, имеет подчиненную таблицу «Файлы», записи которой содержат ссылки на документы, принадлежащие данному элементу и созданные в различных приложениях (графические, текстовые файлы, архивные технологии и т.д.; рис. 2). С каждым документом связана программа, зарегистрированная в базе данных подсистемы Спецификации, которая его создает и обрабатывает. Старт соответствующего приложения производится непосредственно из таблицы «Файлы».

В списке документов могут присутствовать ссылки на архивные технологические процессы различных видов производств. Существует специальное приложение, которое позволяет извлечь ТП из архива и поместить его в рабочее поле КОМПАС-Автопроект-Технология для просмотра и редактирования (см. рис. 2). При этом оригинал техпроцесса не меняется, а модифицированный ТП может быть возвращен обратно в архив под прежним или под новым именем, что, собственно, и обеспечивает режим проектирования по аналогу.

В отличие от электронного архива чертежей, информация, хранящаяся в каталогизированных технологических процессах, подлежит последующей переработке и передаче в систему управления производством. Поэтому в функции архиватора входит не только сохранение и извлечение технологий, но и первичная подготовка данных: выборка информации из ТП и приведение ее к единой структуре, удобной для последующей обработки.

Архиватор технологических процессов имеет развитой механизм опциональных настроек, позволяющий работать с любым типом ТП (штамповка, сварка и т.д.), вести журнал обращений к архиву технологий (сбор статистики), создавать резервные копии архивных ТП, определять месторасположение архива ТП (сервер или локальное рабочее место технолога), подготавливать данные о ТП для последующей передачи ERP-системам.

Подсистема КОМПАС-Автопроект-Спецификации, являющаяся по сути мини-PDM технолога, обладает дружественным интерфейсом, основанным на предоставлении пользователю различных графических схем навигации в базе данных КТС. Такие схемы могут быть разработаны самим пользователем с помощью специального программного модуля (рис. 3).

На рис. 4 представлена схема, реализующая многокритериальный поиск элементов состава изделия, в том числе и по коду детали, сформированному по ЕСКД и ТКД.

Организованное хранение разработанных технологических процессов (на основе базы данных КТС) позволяет кардинально корректировать любую информацию в архиве техпроцессов: анализировать технологии на предмет загруженности оборудования (рис. 5), определять количество специализированной оснастки, рассчитывать суммарную материалоемкость и трудоемкость изготовления изделий в целом.

Процедуры обработки КТС позволяют производить выборки деталей по принадлежности к изделиям, сборочным единицам, цехам изготовления и пр. На их основе формируются сводные нормы, заявки на материал, комплектующие карты и иные технологические документы. Реализованы процедуры, позволяющие коренным образом корректировать любую информацию в архиве техпроцессов, например заменять устаревшие ГОСТы оснастки. Все документы подготавливаются встроенным генератором отчетов в формате MS Excel. Документы могут иметь произвольную форму и настраиваться на специфику конкретного производства.

К базе данных КТС на уровне «Детали» подключена процедура расчета веса заготовки по заданной марке материала, по типу и размеру заготовки (рис. 6). Все необходимые для расчетов данные находятся в классификаторе материалов (рис. 7), доступ к которому осуществляется как из КОМПАС-Автопроект-Спецификации, так и из КОМПАС-Автопроект-Технология. Полный цифровой код материала, определяющий его технологическую характеристику, состоит из 11 знаков: код вида, группы, марки материала, типоразмера.

Формулы расчета черного веса, нормы расхода и т.д. зарегистрированы в базе данных системы и доступны для просмотра и корректировки. Пользователь может вносить изменения в алгоритмы расчета, используя зарезервированные переменные, стандартные математические операции и функции. Разбор формул осуществляется универсальным модулем, также задействованным в подсистеме расчета режимов резания.

13. Назначение, структура и основные функциональные возможности современных зарубежных интегрированных САПР.

CADMECH Система проектирования деталей и сборочных единиц на базе AutoCAD.
SolidWorks Мощный машиностроительный CAD пакет для твёpдотельного пapaметpического моделиpовaния сложных деталей и сборок. Системa констpуиpовaния сpеднего клaссa, бaзиpующaяся нa пapaметpическом геометpическом ядpе Parasolid. Создaнa специaльно для использования на пеpсонaльных компьютеpaх под упpaвлением опеpaционных систем Windows 95 и Windows NT.
SolidCAM Пакет генерации управляющих программ для станков с ЧПУт при обработке деталей, содержащих сложную поверхностную или твердотельную геометрию. Обеспечивает 2,5 и 3-осевую фрезерную обработку, токарную обработку, визуализацию процесса обработки.
Pro/ENGINEER Система высокого уровня, САПР для единого цикла проектирование-производство. Программный комплекс Pro/ENGINEER охватывает весь цикл "конструирование - производство" в машиностроении.  Ядро Pro/ENGINEER использует уникальную по своим возможностям технологию - Proven Technology, основанную на граничных представлениях.
CATIА/CADAM Solutions - это полностью интегрированная универсальная CAD/CAM/CAE система высокого уровня, позволяющая обеспечить параллельное проведение конструкторско-производственного цикла CATIA, являясь универсальной системой автоматизированного проектирования, испытания и изготовления, широко применяется на крупных машиностроительных предприятиях во всем мире для автоматизированного проектирования, подготовки производства, реинжиниринга.

Основные возможности Autodesk Inventor Suite 2009:

  • Интеграция с AutoCAD

  • Проектирование деталей

  • Проектирование деталей из листового материала

  • Проектирование изделий

  • Выпуск конструкторской документации

  • Совместная работа и обмен данными

  • Адаптация и автоматизация

  • Обучающие ресурсы

Пакет продуктов Autodesk Inventor Routed Systems Suite 2009 включает в себя автоматизированные средства проектирования кабельных и трубопроводных систем, в том числе для разводки сложных участков трубопроводов, электрических кабелей и проводов. Эти средства позволяют создавать наиболее точные цифровые 3D прототипы.

Autodesk Inventor Routed Systems Suite 2009 включает в себя все основные функции Autodesk Inventor Suite 2009, а также следующие возможности:

  • Проектирование трубопроводных систем

  • Проектирование кабельных систем

Пакет продуктов Autodesk Inventor Simulation Suite 2009 включает в себя простые в использовании и тесно взаимодействующие друг с другом средства моделирования движения и анализа нагрузок, которые упрощают изучение поведения изделия в реальных условиях еще на стадии проектирования.

Autodesk Inventor Simulation Suite 2009 включает в себя все основные функции Autodesk Inventor Suite 2009, а также следующие возможности:

  • Динамическое моделирование

  • Анализ нагрузок

14. Назначение, структура и функциональные возможности CAE-систем

CAE-системы (computer-aided engineering поддержка инженерных расчетов) – это системы, содержащие средства инженерного анализа и автоматизации инженерных расчетов для анализа и оценки проектно-конструкторских решений. САЕ-системы представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAЕ-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

Задачи, решаемые CAE-модулями:

  • Задачи теплонапряженного состояния

  • Задачи гидродинамики

  • Контактные задачи

  • Кинематические и динамические расчеты

  • Наложение сетки конечных элементов на 3-х мерную модель

CAE-модули позволяют убедиться в работоспособности изделия, проверить его прочностные характеристики, оценить реакцию на внешние воздействия и рассчитать долговечность, не прибегая к большим затратам времени и средств. Ценность компьютерного «испытания» изделия заключается и в том, что оно позволяет оперативно вносить изменения в его конструкцию еще на этапе конструкторской разработки.

ANSYS – многоцелевой конечно-элементный пакет для проведения анализа в широкой области инженерных дисциплин (прочность, теплофизика, динамика жидкостей и газов и электромагнетизм).

NASTRAN - это одна из лучших на рынке программных систем, работающих по МКЭ (метод конечных элементов).

APM WinMachine — программный комплекс, предназначенный для выполнения расчетов машин, механизмов и конструкций, проведения инженерного анализа создаваемого оборудования, а также оформления и хранения конструкторской документации.

Основные предпосылки применения CAE-систем:

  • Повышение качества продукции;

  • Ускорение выпуска новых изделий;

  • Снижение затрат на разработку.

15. Назначение, структура и функциональные возможности CAD-систем (на примере ProE)

Система автоматизации проектных работ (САПР) или CAD (англ. Computer-Aided Design) — программный пакет, предназначенный для создания чертежей, конструкторской и/или технологической документации и/или 3D моделей. В современных системах проектирования CAD получает данные из систем твёрдотельного моделирования CAE (Computer-aided engineering), и передаёт в CAM (Computer-aided manufacturing) для подготовки производства (например генерации программ обработки деталей для станков с ЧПУ или ГАПС(Гибких Автоматизированных Производственных Систем)).

По назначению подсистемы САПР разделяют на два вида: проектирующие и обслуживающие.

К проектирующим относятся подсистемы, выполняющие проектные процедуры и операции. К обслуживающим относятся подсистемы, предназначенные для поддержания работоспособности проектирующих подсистем, например:

  • подсистема графического отображения объектов про­ектирования;

  • подсистема документирования;

  • подсистема информационного поиска и др.

В зависимости от отношения к объекту проектирования различают два вида проектирующих подсистем:

  • объектно-ориентированные (объектные);

  • объектно-независимые (инвариантные).

К объектным подсистемам относят подсистемы, выпол­няющие одну или несколько проектных процедур или операций, непосредственно зависимых от конкретного объекта проектирования, например:

  • подсистема проектирования технологических систем;

  • подсистема моделирования динамики, проектируемой конструкции и др.

К инвариантным подсистемам относят подсистемы, выполняющие унифицированные проектные процедуры и операции, например:

  • подсистема расчетов деталей машин;

  • подсистема расчетов режимов резания;

  • подсистема расчета технико-экономических показа­телей и др.

Таким образом, CAD-модуль представляет собой программное средство , которое позволяет, как минимум, решение таких задач :

работа с параметрической твердотельной моделью,

работа со сборкой,

проектирование листовых деталей,

прочностные расчеты,

оформление чертежей,

наличие стандартных интерфейсов.

Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 предлагает мощные функциональные возможности, которые оптимизируют процессы проектирования изделия и в дальнейшем приводят к улучшению процессов человеческой и технической продуктивности:

  • Новая технология Автоматического скругления - сохраняет время, создавая автоматически скруглеия самых сложных элементов.

  • Улучшенная возможность работы с большими сборками - автоматизирует и оптимизирует процесс управления сборочным файлом, используя упрощенное представление деталей, что сокращает на 40% использование памяти компьютера и на 60% времязагрузки модели.

  • Улучшенная возможность работы с 3D видами - Автоматическое отображение размеров на 3D виде, позволяющее ускорить создания готовых чертежей. Публикация и просмотр сохраненных 3D видов в ProductView™

  • Новая функциональность в редактировании поверхностей - Помогает оптимизировать модель с помощью прямого редактирования поверхностей, включая ее сглаживание.

  • Новый инструмент анализа допусков в Pro/ENGINEER от компании CETOL Technology - Этот новый модуль позволяет быстро анализировать геометрические допуска прямо на твердотельной модели.

  • Новый инструмент распознавания элементов - Быстрое преобразование импортированной геометрии и превращение ее в элементы вашей модели.

  • Улучшенный обмен данными- Новые и обновленные возможности позволяют заказчику лучше управлять данными из других CAD систем (включая новый модуль Интерфейс Pro/ENGINEER для JT), публиковать данные Pro/ENGINEER в 3D PDF и импортировать точное представление изделия из ProductView

Модули CAD

Pro/ENGINEER: Полная функциональность твердотельного параметрического 3D моделирования.

Pro/CONCEPT: Комбинированные возможности разработки геометрии 2D & 3D: электронный создатель дизайнерских эскизов.

Pro/ENGINEER Advanced Assembly: Пакет проектирования "сверху-вниз", управление компонентами, узлами, подсборками и агрегатами.

Pro/ENGINEER Piping Design: Автоматизация разводки трубопроводов в 3D.

Pro/ENGINEER Expert Framework: Автоматизация проектирования рамочных, фермовых и решётчатых конструкций для механического проектирования и проектирования оборудования и оснастки.

Pro/ENGINEER Cabling Design: Автоматизация извлечения логической информации из схем соединений для автоматизации 3D разводки кабелей, проводников и жгутов.

Pro/ENGINEER Routed Systems Designer: Автоматизация переноса данных в Pro/ENGINEER для задач 3D проектирования трубопроводов, кабелей и жгутов.

Pro/ENGINEER Reverse Engineering: Автоматизация преобразования физического описания изделия в его двоичную электронную модель.

Pro/ENGINEER Advanced Rendering: Быстрое создание фотореалистических высококачественных изображений изделия.

Pro/ENGINEER Interactive Surface Design: Проектирование геометрии свободных ("скульптурных", класса А) поверхностей.

16. Структура УП для станков с ЧПУ. Вспомогательные и подготовительные функции. Использование постоянных циклов.

УП содержит информацию о последовательности перемещений рабочих органов станка, подготовительных, технологических и вспомогательных действий для обработки деталей на станке с ЧПУ. УП представляет собой последовательность предложений, называемых кадрами. Каждый кадр содержит 1 или несколько команд по обработке детали на станке. Кадр состоит из слов, представляющих элементарную команду или параметр обработки. Слова делятся на группы, предназначенные для задания подготовительных и вспомогательных команд, геометрических и технологических параметров. Кадры разделяются символом LF (перевод строки).

Формат кадра управляющей программы. Таблица 2.1.

Номер кадра (слово)

N

Подготови

тельные команды (слово) G

Геометричес-

кие параметры (слово) Z, U, V, W, P, Q, R, A, B, C, I, J, K.

Технологические параметры (слово) F, S, T

Вспомогатель-ные команды (слово) M

Символ LF

Слово состоит из адреса ( имени элементарной команды или параметра) и десятичного числа.

Назначения команд

Адресная буква

Назначение

N

Порядковый номер кадра

G

Подготовительная команда для записи режима операции (линейная, круговая обработка и т.д.)

X, Y, Z

Команда на перемещение по основным координатным осям (X, Y, Z)

U, V, W

Команда на перемещение по дополнительным координатным осям (U, V, W)

А

Команда поворота вокруг оси Х

В

Команда поворота вокруг осиY

C

Команда поворота вокруг оси Z

I, J, K

Координаты центра дуги или составляющие для коррекции инструмента по радиусу

F

Скорость подачи

S

Скорость вращения шпинделя

T

Номер инструмента

M

Вспомогательная команда

D

Номер коррекции инструмента по радиусу

H

Номер коррекции инструмента по длине

L

Число повторений подпрограммы или постоянного цикла

P

Длительность паузы или номер программы

Q

Значение шага в постоянном цикле

R

Координата плоскости отхода в постоянных циклах

Вспомогательные функции СЧПУ.

М00 – программируемый останов

М02 – конец программы. Указывает на завершение обработки УП и приводит к останову шпинделя, подачи и выключению охлаждения после выполнения всех команд в кадре

М03, М04 – вращение шпинделя по часовой стрелке и против часовой стрелке соответственно

М05 – останов шпинделя

М06 – смена инструмента

М08, М09 – включение и отключение охлаждения соответственно

М30 – Конец информации. Приводит к останову шпинделя, подачи и выключению охлаждения после выполнения всех команд в данном кадре

М10 – зажим, М11 – разжим – относится к работе с зажимными приспособлениями подвижных органов станка

М19 – останов шпинделя в заданной позиции

М49 – отмена ручной коррекции

М59 – постоянная скорость шпинделя

Подготовительные функции СЧПУ: назначение и особенности применения

Подготовительные функции с адресом G определяют режим и условия работы станка и УЧПУ. За каждой функций закрепляется определенное значение. В конкретной УЧПУ эти значения могут отличаться от рекомендуемых стандартом

G00 – G09 – команды общего порядка: позиционирование интерполяция, ускорение, замедление, пауза/

G10 – G39 – особенности непрерывной обработки: выбор осей, плоскостей, видов интерполяции

G40 – G59 – корр. размеров инструмента, смещение осей

G60 – G79 – вид и характер работы

G80 – G89 – постоянные автоматические циклы

G90 – G99 – особенности задания размеров, режимов обработки

G00 – быстрое позиционирование

G01, G02, G03 – линейная и круговая (по часовой и против часовой стрелке) интерполяция

G04 – пауза – указание о временной задержке, конкретное значение которой задается в УП или др. способом

G08 – разгон – автоматическое увеличение скорости перемещения в начале движения

G09 – автоматическое уменьшение скорости перемещения относительно запрограммированной при приближении к запрограммированной точке

G17 – G19 – выбор плоскости – задание плоскости таких функций как круговая интерполяция, корр. на фрезу и др.

G41, G42 – корректировка на фрезу (левое и правое) (при контурном управлении)

G43 – корр. на положение инструмента – положительное. Указание, что значение коррекции на положение инструмента необходимо сложить с координатой, заданной в соотв. кадре или нескольких кадрах

G44 - корр. на положение инструмента – отрицательное

G54 – G59 – заданное смещение – смещение нулевой точки детали относительно исходной точки станка

G53 – отмена заданного смещения

G90 – абсолютный размер

G91 – относительный размер

G96 – постоянная скорость резания (в метрах в минуту)

G97 – скорость вращения шпинделя в оборотах в минуту

Особенности применения циклов для обработки деталей токарно-обрабатывающего центра Takisawa EX-308/310

Виды циклов

  1. Фиксированные циклы (G90, G92, G94): внутренней/внешней обработки диаметра, нарезание резьбы , обработка торца

  2. Многократно повторяемые циклы (G70 – G76) Чистовой цикл Снятие материала на диаметре Снятие материала на торце Многопроходное нарезание резьбы Торцевое многопроходное сверление и др.

  3. Фиксированные циклы сверления (G80 – G89) Цикл торцевого/бокового сверления Торцевое/боковое нарезание резьбы Цикл торцевой/боковой расточки Отмена фиксированных циклов сверления

Использование постоянных циклов при программировании устройства ЧПУ FANUC Series 16i/160i/160is-MB для 3-х координатного фрезерного станка MV154

Как правило, циклы сверления выполняются со следующей последовательностью операций:

Операция 1 Позиционирования

Операция 2 Быстрое перемещение в точку R

Операция 3 Обработка отверстия

Операция 4 Обработка дна отверстия

Операция 5 Отход в точку R

Операция 6 Быстрое перемещение в исходную точку

G73 – цикл высокоскоростного сверления с периодическим выводом сверла (выполняется периодическая подача при резании)

G74 – цикл нарезания левой резьбы

G76 – цикл чистового растачивания (у основания отверстия – останов шпинделя)

G80 - отмена

G81 – цикл сверления, цикл выборочного сверления

G82 - цикл сверления, цикл растачивания по часовой стрелке (у основания отверстия – задержка)

G83 - цикл сверления с периодическим выводом сверла (для сверления малых отверстий)

G84 – цикл нарезания резьбы

G85 – цикл растачивания

G86 - цикл растачивания (у основания отверстия –останов)

G87 – цикл обратного растачивания

G88 - цикл растачивания (у основания отверстия – задержка, а потом останов)

G89 - цикл растачивания (у основания отверстия – задержка)

G90 – абсолютная команда

G91 – инкрементная команда

G98 – возврат на исходный уровень

G99 – возврат на уровень точки R

Дисциплина «CALS-технологии» (Шкаберин В.А.)

  1. Понятие CALS-технологий. Жизненный цикл промышленных изделий.

  2. Жизненный цикл промышленных изделий и характеристики автоматизированных систем, применяемых на различных этапах жизненного цикла.

  3. Стандарты информационной поддержки жизненного цикла изделий.

  4. Технологии информационной поддержки жизненного цикла изделий.

  5. Преимущества применения CALS-технологий.

 

1. Понятие CALS-технологий. Жизненный цикл промышленных изделий.

CALS (Continuous Acqusition and Life cycle Support - непрерывные поставки и информационная поддержка жизненного цикла продукции) - это концепция, объединяющая принципы и технологии информационной поддержки жизненного цикла продукции на всех его стадиях, основанная на использовании интегрированной информационной среды (единого информационного пространства), обеспечивающая единообразные способы управления процессами и взаимодействия всех участников этого цикла: заказчиков продукции (включая государственные учреждения и ведомства), поставщиков (производителей) продукции, эксплуатационного и ремонтного персонала, реализованная в соответствии с требованиями системы международных стандартов, регламентирующих правила указанного взаимодействия преимущественно посредством электронного обмена данными.

Стратегия CALS объединяет в себе:

  • применение современных информационных технологий;

  • инжиниринг и реинжиниринг бизнес-процессов;

  • применение методов «параллельной» разработки (проектирования);

  • высокий уровень стандартизации в области совместного использования данных и электронного обмена данными;

  • интеграцию образования и производства, подготовки и переподготовки специалистов, связь эффективности производства с качеством подготовки и переподготовки специалистов.

Жизненный цикл (ЖЦ) продукции - это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции, до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукции (ISO 9004-1).

К основным стадиям ЖЦ относятся:

  • маркетинг;

  • проектирование и разработка продукции;

  • планирование и разработка процессов;

  • закупки материалов и комплектующих;

  • производство или предоставление услуг;

  • упаковка и хранение;

  • реализация; монтаж и ввод в эксплуатацию;

  • техническая помощь и сервисное обслуживание;

  • послепродажная деятельность или эксплуатация;

  • утилизация и переработка в конце полезного срока службы.

2. Жизненный цикл промышленных изделий и характеристики автоматизированных систем, применяемых на различных этапах жизненного цикла.

Жизненный цикл промышленных изделий включает ряд этапов, начиная от зарождения идеи нового продукта до утилизации по окончании срока его ис­пользования. Основные этапы жизненного цикла промышленной продукции представлены на рис. К ним относятся этапы проектирования, технологической подготовки производства (ТПП), собственно производства, реализации продукции, эксплуатации и, наконец, утилизации.

Достижение поставленных целей на современных предприятиях, выпускаю­щих сложные промышленные изделия, оказывается невозможным без широко­го использования автоматизированных систем (АС), основанных на приме­нении компьютеров и предназначенных для создания, переработки и использования всей необходимой информации о свойствах изделий и сопровож­дающих процессов. Специфика задач, решаемых на различных этапах жизнен­ного цикла изделий, обусловливает разнообразие применяемых АС.

Основные типы АС с их привязкой к тем или иным этапам жизненного цикла изделий указаны на рис.

Автоматизация проектирования осуществляется САПР. Принято выделять в САПР машиностроительных отраслей промышленности системы функцио­нального, конструкторского и технологического проектирования. Первые из них называют системами расчетов и инженерного анализа или системами САЕ (Computer Aided Engineering). Системы конструкторского проектирования называют системами CAD (Computer Aided Design). Проектирование техно­логических процессов составляет часть технологической подготовки производ­ства и выполняется в системах САМ (Computer Aided Manufacturing). Функ­ции координации работы систем CAE/CAD/CAM, управления проектными данными и проектированием возложены на систему управления проектными данными PDM (Product Data Management).

Уже на стадии проектирования требуются услуги системы управления цепочками поставок (SCMSupply Chain Management), иногда называемой системой Component Supplier Management (CSM). На этапе производства эта система управляет поставками необходимых материалов и комплектующих.

Системы класса SCM – Supply Chain Management (управление цепочками поставок) и CPC – Collaborative Product Commerce (совместный бизнес с применением новых информационных технологий, в том числе и Internet), которые решают задачи управления цепочками поставок и поддержки совместного бизнеса предприятий.

И

Рисунок 1. Этапы жизненного цикла промышленных изделий и применяемые на них автоматизированные системы

нформационная поддержка этапа производства продукции осуществляет­ся автоматизированными системами управления предприятием (АСУП) и автоматизированными системами управления технологическими про­цессами (АСУТП). К АСУП относятся системы планирования и управления предприятием ERP (Enterprise Resource Planning), планирования производства и требований к материалам MRP-2 (Manufacturing Requirement Planning), производственная исполнительная система MES (Manufacturing Execution Systems), а также SCM и система управления взаимоотношениями с заказчи­ками CRM (Customer Requirement Management),

ERP (Enterprise Resource Planning – планирование и управление предприятием)– выполняют различные бизнес-функции, связанные с планированием производства, закупками, сбытом продукция, ана­лизом перспектив маркетинга, финансами, персоналом, складским хозяйством, учетом основных фондов и т.п.

Системы MRP-II (Manufacturing Resource Planning – планирование производственных ресурсов) - ориентированы главным образом на бизнес-функции, непосредственно связанные с производством (планирование потребностей в сырье и материалах, планирование производственных мощностей, контроль выполнения планов и др.)

Системы MES - на решение оперативных задач управления проек­тированием, производством и маркетингом.

На этапе реализации продукции выполняются функция управления отноше­ниями с заказчиками и покупателями, проводится анализ рыночной ситуации, определяются перспективы спроса на планируемые изделия. Эти функции осу­ществляет система CRM. Маркетинговые задачи иногда возлагаются на сис­тему S&SM (Sales and Service Management), которая, кроме того, использу­ется для решения проблем обслуживания изделий. На этапе эксплуатации применяют также специализированные компьютерные системы, занятые воп­росами ремонта, контроля, диагностики эксплуатируемых систем.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами контролируют и используют данные, характеризующие состояние техноло­гического оборудования и протекание технологических процессов. Именно их чаше всего называют системами промышленной автоматизации.

Для выполнения диспетчерских функций (сбор и обработка данных о состо­янии оборудования и технологических процессов) и разработки ПО для встроенного оборудования в состав АСУТП вводят систему SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Непосредственное программное управление тех­нологическим оборудованием осуществляют с помощью системы CNC (Computer Numerical Control) на базе контроллеров (специализированных ком­пьютеров, называемых промышленными), которые встроены в технологичес­кое оборудование.

В последнее время усилия многих компаний, производящих программно-ап­паратные средства АС, направлены на создание систем электронного бизнеса (Е-Соттегсе). Задачи, решаемые системами E-Commerce, сводятся не толь­ко к организации на сайтах Internet витрин товаров и услуг. Они объединяют в едином информационном пространстве запросы заказчиков и данные о возмож­ностях множества организаций, специализирующихся на предоставлении раз­личных услуг и выполнении тех или иных процедур и операций по проектирова­нию, изготовлению, поставкам заказанных изделий. Такие системы E-Commerce называют системами управления данными в интегрированном информацион­ном пространстве СРС (Collaborative Product Commerce) или PLM (Product Lifecycle Management). Проектирование непосредственно под заказ позволя­ет добиться наилучших параметров создаваемой продукции, а оптимальный выбор исполнителей и цепочек поставок ведет к минимизации времени и сто­имости выполнения заказа. Характерная особенность СРС - обеспечение вза­имодействия многих предприятий, т. е. технология СРС является основой, ин­тегрирующей информационное пространство, в котором функционируют САПР, ERP, PDM, SCM , CRM и другие АС разных предприятий.

Системы PDM (Product Data Management – управление данными об изделии). Главная цель – поддержка электронного описания продукта (изделия) на всех стадиях его жизненного цикла. Эта поддержка должна обеспечить решение следующих задач:

  • Ведение проектов: управление работами, процедурами и документами в составе проекта, контроль над выполнением проекта.

  • Планирование и диспетчирование работ.

  • Распределение прав доступа к информации между отдельными участниками проекта или их группами.

  • Организация и ведение распределенных архивов конструкторской, технологической и управленческой документации (электронные архивы).

  • Управление изменениями в документации: контроль версий документов, ведение протокола работы с документами, листов регистрации изменений и извещений.

  • Фиксирование стандартных этапов прохождения документов, контроль прохождения документов по этапам.

  • Интеграция с CAD/CAM-системами и их приложениями, используемыми при проектировании.

  • Контроль целостности проекта.

  • Поиск необходимой информации в проекте на основании запросов.

Системы класса CRM (Customer Relationship Management – управление взаимоотношениями с заказчиками), которые используются на этапе реализации продукции, решая задачи анализа рыночной ситуации, управления отношениями с заказчиками и покупателями, определения перспективы спроса на планируемые к выпуску изделия.

3. Стандарты информационной поддержки жизненного цикла изделий.

Стандарты являются основным компонентом CALS. Стандарты CALS представляют собой набор стандартов, описывающих правила электронного представления данных об изделиях, среде и процессах и правила обмена этими данными.

Условно нормативные документы в области CALS можно разделить на три основные группы:

  • стандарты, описывающие общие принципы электронного обмена данными, определяющие организационно-технические аспекты электронного взаимодействия;

  • стандарты, регламентирующие технологии обеспечения безопасности данных, в частности, их шифрование в процессе обмена, применение электронной цифровой подписи для подтверждения их достоверности и т.д.

  • технические стандарты, определяющие форматы и модели данных, технологии представления данных, способы доступа и использования данных, описывающих изделия, процессы и среду, в которой протекает жизненный цикл изделия.

Направления стандартизации в CALS:

  • применение для решения задач CALS уже существующих стандартов;

  • разработка принципиально новых стандартов.

Классификация стандартов по месту разработки:

  • стандарты Международной организации по стандартизации (ISO);

  • военные стандарты и спецификации НАТО;

  • национальные стандарты, в т.ч.:

    • Стандарты Министерства обороны США

    • Стандарты Министерства обороны Великобритании

    • Федеральные стандарты США

  • Международные спецификации Европейского авиационного консорциума (AECMA)

Представление информации о продукте:

  • ISO/IEC 10303 Standard for the Exchange of Product Model Data (STEP)

Этот стандарт – один из первых в семействе специализированных CALS стандартов – является примером информационного стандарта нового поколения, по образу и подобию которого строятся последующие CALS-стандарты.

STEP определяет “нейтральный” формат представления данных об изделии в виде информационной модели.

Данные об изделии включают в себя:

    • состав и конфигурацию изделия;

    • геометрические модели разных типов;

    • административные данные;

    • специальные данные.

Для обеспечения возможности единообразного описания изделий в различных прикладных областях предполагается, что информационные модели (в терминах стандарта “прикладные протоколы” или “протоколы применения”) создаются на базе типовых блоков (“интегрированных ресурсов”), причем для описания схем данных используется специально введенный язык Express.

Стандарт ISO 10303 состоит из 8 разделов, взаимно связанных между собой. Каждый раздел состоит из томов.

  • ISO 13584 Industrial Automation - Parts Library

Стандарт регламентирует:

  • средства описания и технологию представления информации о компонентах и комплектующих;

  • технологию обработки данных, в том числе хранения, передачи, доступа, изменения и архивирования;

  • в отличие от стандарта ISО 10303 STEP, предназначенного для описания конкретного экземпляра продукции, стандарт ISО 13584 PLIB позволяет описывать классы продукции (компонентов и комплектующих);

  • стандартные детали, определенные международными или национальными стандартами, например крепежные детали, уплотнения, подшипники;

  • библиотеки (базы) данных о деталях конкретного поставщика.

Представление текстовой и графической информации:

  • ISO/IEC 10179 Document Style Semantics and Specification Language (DSSSL)

  • ISO/IEC IS 10744 Information Technology - Hypermedia/Time Based Document Structuring Language (HyTime)

  • ISO/IEC 8632 Information Processing Systems - Computer Graphics - Metafile

  • ISO/IEC 10918 Coding of Digital Continuous Tone Still Picture Images (JPEG)

  • ISO 11172 MPEG2 Motion Picture Experts Group (MPEG) Coding of Motion Pictures and associated Audio for Digital Storage Media

  • ISO/IECS 13522 Information Technology - Coding of Multimedia and Hypermedia Information (MHEG)

  • ISO 8879 Information Processing - Text and Оffice System - Standard Generalised Markup Language (SGML)

С 1 сентября 2006 года в России введены в действие следующие нормативные документы:

  • ГОСТ 2.051-2006 Единая система конструкторской документации. Электронные документы. Общие положения

  • ГОСТ 2.052-2006 Единая система конструкторской документации. Электронная модель изделия. Общие положения

  • ГОСТ 2.053-2006 Единая система конструкторской документации. Электронная структура изделия. Общие положения

  • ГОСТ 2.104-2006 Единая система конструкторской документации. Основные надписи

  • ГОСТ 2.610-2006 Единая система конструкторской документации. Правила выполнения эксплуатационных документов

  • ГОСТ 2.601-2006 Единая система конструкторской документации. Эксплуатационные документы.

4. Технологии информационной поддержки жизненного цикла изделий.

Основное содержание концепции CALS, принципиально отличающее ее от других, составляют инвариантные понятия, которые реализуются в течение жизненного цикла (ЖЦ) изделия (рис.).

Эти инвариантные понятия условно делятся на три группы: 1) базовые принципы CALS; 2) базовые управленческие технологии; 3) базовые технологии управления данными.
К числу первых относятся:

  • системная информационная поддержка ЖЦ изделия на основе использования интегрированной информационной среды (ИИС), обеспечивающая минимизацию затрат в ходе ЖЦ;

  • информационная интеграция за счет стандартизации информационного описания объектов управления;

  • разделение программ и данных на основе стандартизации структур данных и интерфейсов доступа к ним, ориентация на готовые коммерческие программно-технические решения (COTS), соответствующие требованиям стандартов;

  • безбумажное представление информации, использование электронно-цифровой подписи;

  • параллельный инжиниринг (Concurrent Engineering);

  • непрерывное совершенствование бизнес-процессов.

К числу вторых относятся технологии управления процессами, инвариантные по отношению к объекту (продукции): 1) управление проектами и заданиями; 2) управление ресурсами; 3) управление качеством; 4) интегрированная логистическая поддержка.
К числу третьих относятся технологии управления данными об изделии, процессах, ресурсах и среде.
Интегрированная информационная среда - совокупность распределенных баз данных, содержащих сведения об изделиях, производственной среде, ресурсах и процессах предприятия, обеспечивающая корректность, актуальность, сохранность и доступность данных тем субъектам производственно-хозяйственной деятельности, участвующим в осуществлении жизненного цикла изделия, которым это необходимо и разрешено. Безбумажное представление информации -максимально возможное исключение из деловой практики традиционных бумажных документов и переход к прямому безбумажному обмену данными. Принцип параллельного инжиниринга (сoncurrent engineering) предполагает выполнение процессов разработки и проектирования одновременно с моделированием процессов изготовления и эксплуатации. Сюда же относится одновременное проектирование различных компонентов сложного изделия. Реинжиниринг бизнес процессов - последовательное непрерывное изменение и совершенствование бизнес процессов разработки, проектирования, производства и эксплуатации изделия.

5. Преимущества применения CALS-технологий.

Анализ информационных материалов, как опубликованных в традиционной печати, так и в сети Интернет, позволил выявить ряд основных аспектов, определяющих эффективность применения CALS-технологий. К их числу относятся:

  • Компьютерная автоматизация, позволяющая повысить производительность основных процессов и операций создания информации.

  • Информационная интеграция процессов, обеспечивающая совместное и многократное использование одних и тех же данных. Интеграция достигается минимизацией числа и сложности вспомогательных процессов и операций, связанных с поиском, преобразованием и передачей информации. Поскольку доля вспомогательных процессов и операций в общем цикле достаточно велика, сокращение связанных с ними затрат времени и средств является существенным фактором экономии. Одним из инструментов интеграции является стандартизация способов и технологий представления данных с тем, чтобы результаты предшествующего процесса могли быть использованы для последующих процессов с минимальными преобразованиями.

  • Переход к безбумажной организации процессов и применение новых моделей их организации. Сегодня основной формой представления результатов интеллектуальной деятельности является бумажный документ, который в таком виде разрабатывается, контролируется, согласовывается и утверждается. Очень часто, даже при использовании компьютерных систем, конечный результат интеллектуальной деятельности формируется в виде бумажного документа, а на последующих стадиях снова преобразовывается в электронный вид. Количество циклов преобразования и трудоемкость достаточно велики. Поэтому переход от бумажного документооборота к электронному позволяет многократно ускорить доставку документов нужным лицам, обеспечить параллелизм обсуждения, контроля и утверждения результатов работы, существенно сократить длительность процессов.

Применение CALS-технологий позволяет предприятию получить следующие выгоды:

  • сокращение затрат и трудоемкости процессов технической подготовки и освоения производства новых изделий;

  • сокращение календарных сроков вывода новых конкурентоспособных изделий на рынок;

  • сокращение доли брака и затрат, связанных с внесением изменений в конструкцию;

  • увеличение объемов продаж изделий, снабженных электронной технической документацией (в частности, эксплуатационной), в соответствии с требованиями международных стандартов;

  • сокращение затрат на эксплуатацию, обслуживание и ремонты изделий, которые для сложной наукоемкой продукции подчас равны или превышают затраты на ее закупку.

Приведем некоторые количественные оценки эффективности внедрения CALS в промышленности США:

  • прямое сокращение затрат на проектирование - от 10% до 30%;

  • сокращение времени вывода новых изделий на рынок - от 25% до 75%;

  • сокращение доли брака и объема конструктивных изменений - от 23% до 73%.

  • сокращение затрат на подготовку технической документации - до 40%;

  • сокращение затрат на разработку эксплуатационной документации - до 30%;

  • сокращение времени разработки изделий - от 40 до 60% .

По зарубежным данным потери, связанные с несовершенством информационного взаимодействия с поставщиками, только в автомобильной промышленности США оцениваются в сумме порядка $1млрд в год. Аналогичные потери имеют место и в других отраслях промышленности.

Отсюда следует, что внедрение CALS-технологий приводит к существенной экономии и получению дополнительной прибыли.

Дисциплина: «Разработка САПР» (Беспалов В.А.)

  1. Определение САПР и принципы ее построения

  2. Интегрированные САПР: основные понятия

  3. Виды интеграции САПР

  4. Блочно-иерархический подход к разработке САПР

  5. Иерархические уровни проектирования систем

  6. Критерии оптимизации в САПР

  7. Системный, макро и микро уровни проектирования

  8. Характеристика программного обеспечения САПР

  9. Основная функция и принципы создания САПР.

  10. Структура и классификация САПР. Проектирующие и обслуживающие подсистемы.

  11. Место САПР в интегрированных системах проектирования, производства и эксплуатации.

  12. Математическое моделирование автоматизированных систем.

  13. Структурный синтез систем.

  14. Виды обеспечения САПР. Понятие об открытых системах.

  15. Состав технического задания на разработку САПР.

  16. Стадии и этапы проектирования САПР.

 

  1. Понятие проектирования. САПР

Предпосылками автоматизации инженерного труда явились:

  • постоянное увеличение объема информации;

  • возрастающая сложность объектов проектирования;

  • необходимость сокращения сроков проектирования и освоения производства;

  • необходимость снижения стоимости продукции при высоком качестве.

Преимущества использования автоматизации инженерного труда:

  1. резкое снижение времени проектирования и производства;

  2. высокое качество проектной документации и проектных решений;

  3. простота внесения изменений в проектную документацию;

  4. возможность проектирования сложного изделия несколькими пользователями;

  5. возможность избежать ошибки при производстве путем предварительной эмуляции обработки на ЭВМ.

Проектирование – это процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта на основе первичного описания данного объекта и/или алгоритма его функционирования. Проектирование является сложным творческим процессом целенаправленной деятельности человека, основанной на знаниях, использований накопленного практического опыта и навыков в определенной сфере.

Проектирование включает в себя значительный комплекс исследовательских, расчетных и конструкторских работ, целью которых является получение описания объекта проектирования необходимого и достаточного для создания нового изделия или реализации нового процесса, удовлетворяющего заданным требованиям.

Проектирование технического объекта – это создание, преобразование, представление в принятой форме образа этого, еще не существующего объекта.

Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ.

Процесс проектирования технического объекта можно представить в виде схемы:

Автоматизированное проектирование (по ГОСТ 22487-87) – это такое проектирование, при котором отдельные преобразования описаний объекта и алгоритмы его функционирования или алгоритмы процесса, а также представления описаний на различных языках осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ.

Автоматизированное проектирование – это проектирование под управлением системы автоматизированного проектирования, т.е. САПР.

Автоматизация проектирования основана на систематическом использовании средств вычислительной техники при рациональном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и обоснованном выборе методов машинного решения задач.

САПР (ГОСТ 23501.101-87) – система автоматизированного проектирования – организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования.

  1. Классификация САПР. Признаки САПР

Состав и структура САПР (ГОСТ 23501.101-87)

Составными структурными частями САПР являются подсистемы, в которых при помощи специализированных комплексов средств решается функционально законченная последовательность задач САПР. По назначению подсистемы делятся на:

  • проектирующие;

  • обслуживающие.

Проектирующие подсистемы - имеют объектную ориентацию и реализуют определенный этап (стадию) проектирования или группу непосредственно связанных проектных задач (например, подсистема проектирования деталей - тел вращения; подсистема проектирования ТП МО и др.).

Обслуживающие подсистемы - имеют общесистемное применение и обеспечивают поддержку функционирования проектирующих подсистем, а также оформление, передачу и выдачу полученных в них результатов (например, АБД, подсистема документирования, графического вывода и др.)

Классификация САПР (ГОСТ 23501.108-85)

Для классификации САПР используются следующие классификационные признаки:

  • тип объекта проектирования;

  • разновидность объекта проектирования:

  • сложность объекта проектирования;

  • уровень автоматизации проектирования;

  • комплексность автоматизации проектирования;

  • характер выпускаемых документов;

  • количество выпускаемых документов;

  • количество уровней в структуре технического обеспечения.

Признак - Тип объекта проектирования.

  1. САПР изделий машиностроения;

  2. САПР изделий приборостроения;

  3. САПР технологических процессов в машино- и приборостроении;

  4. САПР объектов строительства;

  5. САПР технологических процессов в строительстве;

  6. САПР программных изделий (проектирует программы для ЭВМ, станков с ЧПУ, роботов и др.);

  7. САПР организационных систем;

  8. прочие

Признак - Разновидность объекта проектирования. Наименования классификационных группировок определяют по действующим классификаторам на объекты, проектируемые системой. Например, для САПР изделий машиностроения и приборостроения - по классификатору ЕСКД или ОКП и т.д.

Признак - Сложность объекта проектирования.

  • САПР простых объектов (число составных частей объекта - до 100, , редуктор и др.);

  • САПР объектов средней сложности (число составных частей >100 и <=1000, приборы);

  • САПР сложных объектов (число составных частей > 10000 и <= 100000, например, тракторы,)

  • САПР очень сложных объектов (число составных частей > 10000 и <= 100000, например, самолет,);

  • САПР объектов очень высокой сложности (число составных частей > 100000).

Признак- Уровень автоматизации проектирования.

  1. низкоавтоматизированные - (уровень автоматизации -до 25%);

  2. среднеавтоматизированные - (уровень автоматизации - свыше 25% - до 50%);

  3. высокоавтоматизированные - (уровень автоматизации проектирования - свыше 50%).

Признак - Комплексность автоматизации проектирования.

  • Одноэтапная САПР ~ выполняет один этап проектирования из всех установленных для объекта, проектируемого системой.

  • Многоэтапная САПР - выполняет несколько этапов проектирования из всех установленных для объекта, проектируемого системой.

  • Комплексная САПР - выполняет все этапы проектирования, установленные для объета, проектируемого системой.

Признак - Характер выпускаемых документов.

  • САПР, выпускающая документы на бумаге (текстовые и графические документы на бумаге)

  • САПР, выпускающая документы на машинных носителях (перфолента, МД и др.)

  • САПР, выпускающая документы на фотоносителях (микрофильмы, микрофиши, фотошаблоны)

  • САПР комбинированная (на двух или более типах носителей данных)

  • Прочие

Признак - Количество выпускаемых документов.

  • САПР малой производительности (105 документов А4 за год)

  • САПР средней производительности (>103 до 106)

  • САПР высокой производительности(^ 106)

Признак - Число уровней в структуре технологического обеспечения.

  1. Одноуровневая САПР. Основой одноуровневого комплекса технических средств являются ЭВМ средней или высокой производительности и штатный набор периферийных устройств. В этих ЭВМ осуществляется программная обработка данных, включая средства обработки графической информации, и их хранение.

  2. Двухуровневая САПР. Для эффективной связи пользователя с САПР и решения, помимо выполнения наиболее сложных программных процедур, большого количества простых задач в последней организуют второй уровень. Система, построенная на основе средней или большой ЭВМ и взаимосвязанных с ней одного или нескольких автоматизированных рабочих мест (АРМ), имеющих собственную ЭВМ.

3) Трехуровневые САПР, кроме технических средств двухуровневой системы, имеют периферийное программно-управляемое оборудование: комплекс для контроля управляющих программ к станкам с ЧПУ; чертежные автоматы; установки для изготовления фотошаблонов и т.д. В настоящее время более распространены именно трехуровневые САПР.

3. Характеристика видов обеспечения САПР

С точки зрения функций, выполняемых в САПР, можно выделить следующие подсистемы и виды обеспечений:

  1. Математическое обеспечение. К нему относятся математические модели, используемые в САПР, методы их анализа и синтеза.

  2. Лингвистическое обеспечение. Для описания структуры разрабатываемых объектов, операций их построения и преобразования, организации управления процессом проектирования и упрощение диалога разработчика с системой, используют специальные языки, которые моделируют для реализации на ЭВМ при помощи обычных языков программирования.

  3. Программное обеспечение. Для решения задач с помощью ЭВМ все используемые алгоритмы должны быть представлены на языках программирования. ПО называется совокупность программ, применяемых в САПР, а также все поясняющие материалы к ним.

  4. Информационное обеспечение. Автоматизация хранения, выборки и первичной обработки (по материалам, комплектующим изделиям, типовым решениям), необходимы для решения задач САПР. Обеспечивается путем использования информационных массивов, имеющих специальную структуру, а также управляющих программ для работы с ними. Совокупность данных средств и составляет информационное обеспечение.

  5. Техническое обеспечение. Аппаратные средства, с помощью которых функционирует САПР: ЭВМ, периферийные устройства ввода/вывода информации, а также измерительные и др. специализированные устройства.

  6. Методическое обеспечение. Современные САПР представляют собой сложный комплекс. При решении конкретных задач необходимо правильно выполнять все действия, предусмотренные в них. Для этого в помощь пользователям систем составляют правила эксплуатации, подробные инструкции по выполнению всех действий, приводят примеры решения задач. Эту информацию прилагают как в бумажном, так и в электронном виде, встраивают в сами системы.

  7. Организационное обеспечение. Этот вид обеспечения составляет инструкции, штатные расписания, квалификационные требования и др. документы, регламентирующие структуру проектных подразделений и их взаимодействие с комплексом средств автоматизированного проектирования.

Разделение на специализированные подсистемы позволяет при формировании конкретных САПР использовать для выполнения отдельных функций в них готовые, ранее разработанные, высокоэффективные пакеты программ. Это с одной стороны значительно упрощает формирование САПР, с другой – обеспечивает качественное выполнение данной функции.

4. Структура и схема функционирования САПР. Основные модули

Информационное и программное обеспечение САПР имеют организацию на физическом (пакеты программ, файловая структура и т.д.) и на логическом (логические правила связи, мнимая подсистема, гибкосоздаваемая в процессе работы системы) уровнях.

Логический уровень, обеспечиваемый управляющей системой САПР необходим для того, чтобы освободить пользователя от рутинных действий, связанных с хранением, передачей и переработкой информации. Приведем типовую структуру и алгоритм конструкторской САПР:


Передача управления

Передача данных


Область САПР


Рассматриваемая САПР содержит следующие модули:

  • Расчетный модуль.

Проектирование каждой конструкции требует выполнения целого ряда расчетов (геометрических, прочностных и др.). Расчетный модуль представляет собой набор программ, осуществляющих эти расчеты. Он может иметь сложную структуру, в которой сочетаются стандартные пакеты программ и специализированные программы, необходимые для расчета конкретной конструкции.

  • Базы данных.

Содержат информационные массивы, необходимые для проектирования объектов. Для формирования и управления ими обычно используют стандартные СУБД, поскольку создание такой системы сама по себе довольно сложная задача. По основным видам стандартных материалов, узлов и др. элементов конструкций уже созданы в различных СУБД специализированные БД. Их применение значительно ускоряет и удешевляет создание конкретных САПР. Такие БД могут содержать сведения о ранее разработанных аналогичных конструкциях и их использовании, как правило, значительно ускоряет весь процесс проектирования.

  • Графический модуль.

Графика сопровождает практически все этапы проектирования: от вычерчивания конструкции до прочностных расчетов и визуализации. Для решения графических задач обычно используют готовые пакеты программ.

  • Управляющая система.

Необходима, во-первых, для реализации алгоритмов проектирования. Во-вторых, для согласования совместного функционирования отдельных модулей системы (передача и преобразование информации между ними). Развитая управляющая система позволяет организовать работу пользователя преимущественно на логическом уровне, освободив его от многих рутинных функций.

Схема функционирования:

  1. Пользователь, предварительно сформировав требования к проектируемой конструкции в виде технического задания, входит в САПР через её управляющую систему.

  2. Управляющая система передает управление расчетному модулю, который выполняет предварительные расчеты, необходимые для построения конструкции. Значительная часть стандартных данных (о свойствах материалов и др.) расчетный модуль берет из БД, входящих в состав системы. После геометрических расчетов управление передается графическому модулю.

  3. В графическом модуле происходит построение конструкции в соответствии с требованиями ТЗ. Из информационных БД извлекаются геометрические параметры стандартных узлов и деталей, с помощью графич. БД производится непосредственное встраивание таких элементов в конструкцию. После графического построения простых конструкций процесс проектирования завершается и оформляется в требуемом виде проект изделия. Для сложных изделий управление вновь передается расчетному модулю и производится дополнительный прочностной расчет. Он позволяет выяснить нагружение и деформацию различных частей конструкции под действием внешних нагрузок. По его результатам выносится окончательное заключение о функциональной пригодности конструкции. При необходимости изменяется конструкция изделия и прочностной расчет её повторяется.

На практике описанная структура и схема функционирования могут значительно варьироваться в зависимости от задач проектирования. Для получения конкретного алгоритма САПР необходимо разработать внутренние структуры и алгоритмы функционирования всех структурных модулей с необходимой для программирования степенью детализации.

5. Принципы создания систем автоматизированного проектирования конструкции и технологии

При создании САПР руководствуются следующими общесистемными принципами:

  1. Принцип включения. Состоит в том, что требования к созданию, функционированию и развитию САПР определяется со стороны более сложной системы, включающих в себя САПР в качестве подсистемы. Такой сложной системой может быть, например, комплексная система АСНИ (автоматиз. сист. науч. исслед.), САПР отрасли и т.д.

  2. Принцип системного единства. Предусматривает обеспечение целостности САПР за счёт связи между её подсистемами и функционирование подсистемы управления САПР.

  3. Принцип комплексности. Требует связности проектирования отдельных элементов и всего объекта в целом на всех стадиях проектирования.

  4. Принцип информационного единства. Предопределяет информационную согласованность отдельных подсистем и компонентов САПР. Это означает, что в средствах обеспечения компонентов САПР должны использоваться единые термины, символы, условные обозначения, проблемно – ориентированные языки программирования и способы представления информации, которые обычно устанавливаются соответствующими нормативными документами. Принцип информационного единства предусматривает в частности размещение всех файлов, используемых многократно при проектировании различных объектов в банках данных. За счёт данного принципа результаты решения одной задачи в САПР без какой-либо перекомпоновки или переработки полученных массивов данных могут быть использованы в качестве исходной информации для других задач проектирования.

  5. Принцип совместимости состоит в том, что языки, коды, информационные и технические характеристики структурных связей между подсистемами и компонентами САПР должны быть согласованы так, чтобы обеспечить совместное функционирование всех подсистем и сохранить открытую структуру САПР в целом. Например, введение каких-либо новых технических или программных средств в САПР не должно приводить к каким-либо изменениям уже эксплуатируемых средств.

  6. Принцип инвариантности. Предусматривает, что подсистемы компонентов САПР должны быть по возможности универсальными или типовыми, т.е. инвариантными к проектируемым объектам и отраслевой специфики. Однако, применительно ко всем компонентам САПР это невозможно. Многие компоненты, например, программы оптимизации обработки массивов данных и другие, могут быть сделаны одинаковыми для разных технических объектов.

  7. Принцип развития. Требует, чтобы в САПР предусматривалось наращивание и совершенствование компонентов и связей между ними. При модернизации подсистемы САПР допускается частичная замена компонентов, входящих в подсистему с изданием соответствующей документации.

Приведённые общественные принципы являются чрезвычайно важными на этапе разработки САПР. Контроль над их соблюдением обычно осуществляет спец. служба САПР предприятия.

6. Модульное программирование

Первоначально в концепции МП ставилась задача выделения относительно независимых фрагментов программ с целью организации разделения работ, повторного использования этих фрагментов в программе, уменьшение затрат на повторную компиляцию и преодоление ограничений на размеры компилируемых программ.

Современная концепция модульного проектирования включает в себя следующие положения:

  1. программа разбивается на модули. Модули могут определять доступные для использования данные, операции обработки данных и операций их обработки, а также структуры из перечисленных объектов;

  2. каждый модуль состоит из спецификаций и тела. Спецификации определяют правила использования модуля, а тело определяет способ их реализации;

  3. средства инструментальной поддержки должны обеспечивать возможность компиляции модулей, а также соответствия используемых модулей, описанным в спецификациях правилам;

  4. каждый модуль, как правило, содержит одну точку входа и одну точку выхода.

Преимуществом модульного принципа программирования заключается в следующем:

  1. упрощается отладка программ, это даёт возможность разработать программу методами «сверху - вниз» или «снизу - вверх», постепенно присоединяя написанные модули к ранее отлаженным. После каждого такого присоединения неверная работа программы сигнализирует о присутствии ошибки в новом модуле, а не в уже отлаженном;

  2. обеспечивается возможность организации совместной работы больших коллективов разработчиков, т.к. относительно малый размер модулей и небольшая сложность их позволяет провести более полную проверку программы.

7. Структурное программирование

Программы, разработанные по правилам структурного программирования, обладают следующими свойствами:

  1. имеют модульную структуру;

  2. представляют собой композицию основных управляющих структур:

- последовательности (следование операторов);

- разветвления (разветвление путей выполнения операторов в зависимости от определённых условий);

- цикла (повторение оператора или группы операторов до тех пор, пока выполняется некоторое условие).

  1. содержат операторы безусловного перехода (go…to…) только в исключительных случаях, при этом передача управления происходит в точку программы, расположенную по тексту ниже;

  2. использование глобальных переменных ограничено.

Схема модульной структуры программы должна быть дополнена описанием внешних характеристик программных модулей. Такое описание называется внешней спецификацией. Внешняя спецификация содержит все сведения, необходимые для обращения к модулю других модулей.

Внешняя спецификация должна включать:

  1. имя модуля (оно используется другими модулями для обращения к нему);

  2. описание функций (в описании приводятся: назначение модуля, но оно не должно включать сведений о логической структуре модуля и о контекстах, в которых используются модуль);

  3. список параметров (список определяет число и порядок задания параметров);

  4. входные переменные (даётся подробное описание входных параметров и их атрибутов, таких как, структура, размеры, единицы измерения, допустимые диапазоны значений и др.);

  5. выходные параметры (даётся подробное описание выходных параметров, возвращаемых модулем, аналогичные описанию входных параметров).

  6. внешние эффекты (даётся описание внешних эффектов для программы или системных событий, происходящих при работе модуля).

На основе внешних спецификаций модулей осуществляется разработка логической структуры этих модулей. Логическая структура модулей прорабатывается на стадии технического проекта программы.

8. Системы массового обслуживания

Во многих областях производства, бытового обслуживания, экономики и финансов важную роль играют системы, реализующие многократное выполнение однотипных задач. Подобные системы называют системами массового обслуживания (СМО). В качестве примеров СМО можно привести системы, представляющие собой банки, телефонные станции, погрузочно-разгрузочные комплексы, магазины, билетные кассы, больницы, системы сбора, хранения и обработки информации, системы противовоздушной или противоракетной обороны и многое другое.

Каждая СМО включает в свою структуру некоторое число обслуживающих устройств (единиц, приборов, линий), которые называют каналами обслуживания. Роль каналов могут играть лица, выполняющие те или иные операции (кассиры, операторы, продавцы, парикмахеры и т.д.).

Каждая СМО предназначена для обслуживания (выполнения) некоторого потока заявок (или требований), поступающих на вход системы большей частью не регулярно, а в случайные моменты времени. Обслуживание заявок, в общем случае, также длится не постоянное, заранее известное, а случайное время. После обслуживания заявки канал освобождается и готов к приему следующей заявки.

Схема СМО изображена на следующем рисунке:


Таким образом, во всякой СМО можно выделить следующие основные элементы:

  1. входящий поток заявок;

  2. очередь;

  3. каналы обслуживания;

  4. выходящий поток обслуженных заявок.

Системы массового обслуживания делятся на типы по ряду признаков.

По числу каналов СМО подразделяют на одноканальные (когда имеется один канал обслуживания) и многоканальные, точнее n - канальные (когда количество каналов n ≥ 2). Многоканальные СМО могут состоять из однородных каналов, либо из разнородных, отличающихся длительностью обслуживания одной заявки.

По дисциплине обслуживания СМО подразделяют на три класса:

1) СМО с отказами, в которых заявка, поступившая на вход СМО в момент, когда все каналы заняты, получает «отказ» и покидает СМО («пропадает»).

2) СМО с ожиданием (очередью). В таких системах заявка, поступившая в момент занятости всех каналов, становится в очередь и ожидает освобождения канала, который примет ее к обслуживанию.

3) СМО смешанного типа (с ограниченным ожиданием). Это такие системы, в которых на пребывание заявки в очереди накладываются некоторые ограничения (например, на длину очереди или максимальное время пребывания заявки в очереди).

По ограничению потока заявок СМО делятся на замкнутые (заявки не возвращаются в систему) и открытые (соответственно возвращаются).

По количеству этапов обслуживания СМО делятся на однофазные и многофазные системы. Если каналы СМО однородны, т.е. выполняют одну и ту же операцию обслуживания, то такие СМО называются однофазными. Если каналы обслуживания расположены последовательно и они неоднородны, так как выполняют различные операции обслуживания (т.е. обслуживание состоит из нескольких последовательных этапов или фаз), то СМО называется многофазной. Примером работы многофазной СМО является обслуживание автомобилей на станции технического обслуживания.

Каждая СМО в зависимости от своих параметров: характера потока заявок, числа каналов обслуживания и их производительности, а также от правил организации работы, обладает определенной эффективностью функционирования, позволяющей ей более или менее успешно справляться с потоком заявок.

9. Классификация показателей эффективности функционирования СМО

Каждая СМО в зависимости от своих параметров: характера потока заявок, числа каналов обслуживания и их производительности, а также от правил организации работы, обладает определенной эффективностью функционирования, позволяющей ей более или менее успешно справляться с потоком заявок.

Показатели эффективности функционирования:

  • Абсолютная пропускная способность - среднее количество заявок, кото­рое может обслужить система в единицу времени.

  • Относительная про­пускная способность - отношение среднего числа заявок, обслуженных СМО в единицу времени, к среднему числу всех заявок, посту­пивших в СМО за то же время.

  • Среднее число занятых каналов и ко­эффициент занятости - отношение среднего числа занятых каналов к общему числу каналов.

  • Среднее число свободных каналов и коэффици­ент простоя - отношение среднего числа свободных каналов к общему числу каналов.

  • Среднее время простоя канала.

  • Среднее время нахож­дения заявка в очереди и в СМО в целом.

  • Среднее число заявок в очереди и в СМО в целом.

  • Дисперсии числа заявок в очереди и в СМО.

Исследование поведения СМО, т.е. определение временных зависимостей переменных, характеризующих состояние СМО, при подаче на входы любых требуемых в соответствии с заданием на эксперимент потоков заявок, называют имитационным модели­рованием СМО. Имитационное моделирование проводят путем воспроизведения в СМО событий, происходящих в моделируемом времени. При этом под событием понимают факт изменения зна­чения любой переменной, характеризующей состояние системы.

Подход, альтернативный имитационному моделированию, называют аналитическим исследованием СМО, которое заключается в получении формул для расчета выходных параметров СМО с последующей подстановкой значений аргументов в эти формулы в каждом отдельном эксперименте.

Модели СМО, используемые при имитационном и аналитическом моделировании, называются имитационными и аналитическими соответственно.

11. Аналитическое моделирование СМО

Аналитическое моделирование

Аналитическое моделирование – математическая формализация, изменение свойств объекта во времени.

Для аналитического моделирования характерно то, что процессы функционирования элементов системы записываются в виде некоторых функциональных соотношений (алгебраические, интегро-дифференцированные, конечно разностные) и логических условий.

Аналитическая модель может быть исследована 3-мя способами:

  1. аналитическим способом – стремятся получить в общем виде зависимость от исходных характеристик;

  2. численным способом – когда нельзя решить в общем виде, то получаем результаты для конкретных начальных данных;

  3. качественным способом – не имея решения управления в общем виде, мы можем найти некоторые свойства решения;

Аналитические модели удобны в использовании, поскольку для аналитического моделирования не требуются сколько-нибудь зна­чительные затраты вычислительных ресурсов, часто без поста­новки специальных вычислительных экспериментов исследователь может оценить характер влияния аргументов на выходные пара­метры, выявить те или иные общие закономерности в поведении системы. Но, к сожалению, аналитическое исследование удается реализовать только для частных случаев сравнительно несложных СМО. Для сложных СМО аналитические модели если и удается получить, то только при принятии упрощающих допущений, ставя­щих под сомнение адекватность модели.

Поэтому основным подходом к анализу САПР на системном уровне проектирования считают имитационное моделирование, а аналитическое исследование используют при предварительной оценке различных предлагаемых вариантов систем.

Некоторые компоненты СМО характеризуются более чем од­ним входным и/или выходным потоками заявок. Правила выбора одного из возможных направлений движения заявок входят в соот­ветствующие модели компонентов. В одних случаях такие прави­ла относят к исходным данным (например, выбор направления по вероятности), но в некоторых случаях желательно найти оптималь­ное управление потоками в узлах разветвления. Тогда задача мо­делирования становится более сложной задачей синтеза, характер­ными примерами которой являются маршрутизация заявок или син­тез расписаний и планов.

12. Виды имитационного моделирования. Область применения

Имитационное моделирование — это метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Такую модель можно «проиграть» во времени как для одного испытания, так и заданного их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику.

Имитационное моделирование — это метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью с достаточной точностью описывающей реальную систему и с ней проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе. Экспериментирование с моделью называют имитацией (имитация — это постижение сути явления, не прибегая к экспериментам на реальном объекте).

Имитационное моделирование — это частный случай математического моделирования. Существует класс объектов, для которых по различным причинам не разработаны аналитические модели, либо не разработаны методы решения полученной модели. В этом случае математическая модель заменяется имитатором или имитационной моделью.

Имитационная модель — логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.

Применение имитационного моделирования

К имитационному моделированию прибегают, когда:

  • дорого или невозможно экспериментировать на реальном объекте;

  • невозможно построить аналитическую модель: в системе есть время, причинные связи, последствие, нелинейности, стохастические (случайные) переменные;

  • необходимо сымитировать поведение системы во времени.

Цель имитационного моделирования состоит в воспроизведении поведения исследуемой системы на основе результатов анализа наиболее существенных взаимосвязей между ее элементами или другими словами — разработке симулятора (англ. simulation modeling) исследуемой предметной области для проведения различных экспериментов.

Имитационное моделирование позволяет имитировать поведение системы во времени. Причём плюсом является то, что временем в модели можно управлять: замедлять в случае с быстропротекающими процессами и ускорять для моделирования систем с медленной изменчивостью. Можно имитировать поведение тех объектов, реальные эксперименты с которыми дороги, невозможны или опасны.

Можно выделить две разновидности имитации:

  • метод Монте-Карло (метод статистических испытаний);

  • метод имитационного моделирования (статистическое моделирование).

Виды имитационного моделирования

  1. Агентное моделирование — относительно новое (1990е-2000е гг.) направление в имитационном моделировании, которое используется для исследования децентрализованных систем, динамика функционирования которых определяется не глобальными правилами и законами (как в других парадигмах моделирования), а наоборот. Когда эти глобальные правила и законы являются результатом индивидуальной активности членов группы. Цель агентных моделей — получить представление об этих глобальных правилах, общем поведении системы, исходя из предположений об индивидуальном, частном поведении ее отдельных активных объектов и взаимодействии этих объектов в системе. Агент — некая сущность, обладающая активностью, автономным поведением, может принимать решения в соответствии с некоторым набором правил, взаимодействовать с окружением, а также самостоятельно изменяться.

  2. Дискретно-событийное моделирование — подход к моделированию, предлагающий абстрагироваться от непрерывной природы событий и рассматривать только основные события моделируемой системы, такие как: «ожидание», «обработка заказа», «движение с грузом», «разгрузка» и другие. Дискретно-событийное моделирование наиболее развито и имеет огромную сферу приложений — от логистики и систем массового обслуживания до транспортных и производственных систем. Этот вид моделирования наиболее подходит для моделирования производственных процессов. Основан Джеффри Гордоном в 1960х годах.

  3. Системная динамика — парадигма моделирования, где для исследуемой системы строятся графические диаграммы причинных связей и глобальных влияний одних параметров на другие во времени, а затем созданная на основе этих диаграмм модель имитируется на компьютере. По сути, такой вид моделирования более всех других парадигм помогает понять суть происходящего выявления причинно-следственных связей между объектами и явлениями. С помощью системной динамики строят модели бизнес-процессов, развития города, модели производства, динамики популяции, экологии и развития эпидемии. Метод основан Форрестером в 1950 годах.

Области применения

  • бизнес процессы;

  • динамика населения;

  • математическое моделирование исторических процессов;

  • логистика;

  • производство;

  • рынок и конкуренция;

  • сервисные центры;

  • управление проектами.

Популярные системы имитационного моделирования

  • AnyLogic;

  • Aimsun;

  • Powersim;

  • GPSS;

  • NS-2.

13. Классификация математических моделей

1) По характеру отображаемых свойств объекта ММ делятся на структурные и функциональные.

1.1.Структурные ММ предназначены для отображения структурных свойств объекта. Различают структурные ММ топологические и геометрические.

В топологических ММ отображаются состав и взаимосвязи элементов. Их чаще всего применяют для описания объектов, состоящих из большого числа элементов, при решении задач привязки конструктивных элементов к определенным пространственным позициям (например, задачи компоновки оборудования, размещения деталей, трассировки соединений) или к относительным моментам времени (например, при разработке расписаний, технологических процессов). Топологические модели могут иметь форму графов, таблиц (матриц), списков и т.п.

В геометрических ММ отображаются свойства объектов, в них дополнительно к сведениям о взаимном расположении элементов содержатся сведения о форме деталей. Геометрические ММ могут выражаться совокупностью уравнений линий и поверхностей; совокупностью алгебраических соотношений, описывающих области, составляющие тело объекта; графами и списками, отображающими конструкции из типовых конструктивных элементов, и т.п. Геометрические ММ применяют при решении задач конструирования в машиностроении, приборостроении, радиоэлектронике, для оформления конструкторской документации, при задании исходных данных на разработку технологических процессов изготовления деталей. Используют несколько типов геометрических ММ.

1.2.Функциональные ММ предназначены для отображения физических или информационных процессов, протекающих в объекте при его функционировании или изготовлении. Обычно функциональные ММ представляют собой системы уравнений, связывающих фазовые переменные, внутренние, внешние и выходные параметры.

2) По степени детализации описания в пределах каждого иерархического уровня выделяют полные ММ и макромодели.

Полная модель – это модель, в которой фигурируют фазовые переменные, характеризующие состояния всех имеющихся межэлементных связей (т.е. состояние всех элементов проектируемого объекта).

Макромодель - ММ, в которой отображаются состояния значительно меньшего числа межэлементных связей, что соответствует описанию объекта при укрупненном выделении элементов.

  1. По способу представления свойств объекта функциональные ММ делятся на аналитические и алгоритмические.

Аналитические ММ представляют собой явные выражения выходных параметров как функций входных и внутренних параметров.

Алгоритмические ММ выражают связи выходных параметров с параметрами внутренними и внешними в форме алгоритма. Имитационная ММ - это алгоритмическая модель, отражающая поведение исследуемого объекта во времени при задании внешних воздействий на объект.

В зависимости от места в иерархии описания математические модели делятся на ММ, относящиеся к микро-, макро- и метауровням.

Особенностью ММ на микроуровне является отражение физических процессов, протекающих в непрерывном пространстве и времени. Типичные ММ на микроуровне - дифференциальные уравнения в частных производных (ДУЧП). В них независимыми переменными являются пространственные координаты и время. С помощью этих уравнений рассчитываются поля механических напряжений и деформаций, электрические потенциалы и напряжения, давления и температуры и т.п. Возможности применения ММ в ДУЧП ограничены отдельными деталями, попытки анализировать с их помощью процессы в многокомпонентных средах, сборочных единицах, электронных схемах не могут быть успешными из-за чрезмерного роста затрат машинного времени и памяти.

На макроуровне используют укрупненную дискретизацию пространства по функциональному признаку, что приводит к представлению ММ на этом уровне в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ). Системы ОДУ являются универсальными моделями на макроуровне, пригодными для анализа как динамических, так и установившихся состояний объектов. Модели для установившихся режимов можно также представить в виде систем алгебраических уравнений. Порядок системы уравнений зависит от числа выделенных элементов объекта. Если порядок системы приближается к 10000, то оперирование моделью становится затруднительным и поэтому необходимо переходить к представлениям на метауровне.

На метауровне в качестве элементов принимают достаточно сложные совокупности деталей. Метауровень характеризуется большим разнообразием типов используемых ММ. Для многих объектов ММ на метауровне по-прежнему представляются системами ОДУ. Однако так как в моделях не описываются внутренние фазовые переменные элементы, а фигурируют только фазовые переменные, относящиеся к взаимным связям элементов, укрупненное представление элементов на метауровне означает получение ММ приемлемой размерности для существенно более сложных объектов, чем размерность ММ на макроуровне.

14. Генетический алгоритм. Основные понятия

Генетический алгоритм — это эвристический алгоритм поиска, используемый для решения задач оптимизации и моделирования путем последовательного подбора, комбинирования и вариации искомых параметров с использованием механизмов, напоминающих биологическую эволюцию.

Основателем генетических алгоритмов считается Джон Холланд.

Генетические алгоритмы служат, главным образом, для поиска решений в очень больших, сложных пространствах поиска.

Основные понятия:

Хромосома – вектор (последовательность) из 0 и 1. Каждая позиция (бит) называется геном.

Индивидуум (генетический код) – набор хромосом (вариант решения задачи).

Кроссовер – операция, при которой 2 хромосомы обмениваются своими частями.

Мутация – случайное изменение одной или нескольких позиций в хромосоме.

Достоинства генетических алгоритмов:

  • они не требуют никакой информации о поверхности ответа;

  • разрывы, существующие на поверхности ответа имеют незначительный эффект на полную эффективность оптимизации;

  • они стойки к попаданию в локальные оптимумы;

  • они хорошо работают при решении крупномасштабных проблем оптимизации;

  • могут быть использованы для широкого класса задач;

  • просты и прозрачны в реализации;

  • могут быть использованы в задачах с изменяющейся средой.

Недостатки генетических алгоритмов:

  • в случае когда необходимо найти точный глобальный оптимум;

  • время исполнения функции оценки велико;

  • необходимо найти все решения задачи, а не одно из них;

  • конфигурация является не простой (кодирование решения).

Применение генетических алгоритмов

Генетические алгоритмы применяются для решения следующих задач:

  • оптимизация функций;

  • оптимизация запросов в базах данных;

  • разнообразные задачи на графах (задача коммивояжера, раскраска, нахождение паросочетаний);

  • настройка и обучение искусственной нейронной сети;

  • задачи компоновки;

  • составление расписаний;

  • игровые стратегии;

  • теория приближений;

  • искусственная жизнь;

  • биоинформатика (свертывание белков).

15. Языки имитационного моделирования

Алгоритмические языки при моделировании систем служат вспомогательным аппаратом в разработке машинной реализации и анализа характеристик моделей. Основная задача – это выбор языка.

Каждый язык имеет свою систему абстракций, лежащую в основе формализации функционирования сложных систем.

Для программирования модели могут использоваться следующие языки:

  1. универсальные алгоритмические языки высокого уровня;

  2. специализированные языки моделирования: языки, реализующие событийный подход, подход сканирования активностей, языки, реализующие процессно-ориентированный подход;

  3. проблемно-ориентированные языки и системы моделирования.

Качество языков моделирования характеризуется:

  1. удобством описания процесса функционирования;

  2. удобством ввода исходных данных, варьирования структуры, алгоритмов работы и параметров модели;

  3. эффективностью анализа и вывода результатов моделирования;

  4. простотой отладки и контроля работы моделирующей программы;

  5. доступностью восприятия и использования языка.

В большинстве своем языки моделирования определяют поведение систем во времени с помощью модифицированного событийного алгоритма. Как правило, он включает в себя список текущих и будущих событий.

Классификация языков имитационного моделирования

Основа классификации – принцип формирования системного времени.

Непрерывное представление систем сводится к представлению дифференциальных уравнений, с помощью которых устанавливают связь между входной и выходной функциями. Если выходные переменные модели принимают дискретные значения, то уравнения являются разностными.

Одним из ярких представителей комбинированных языков является GASP в основе которого лежит язык FORTRAN. В нем предполагается, что в системе могут наступать события двух типов:

  • события, зависящие от состояния;

  • события, зависящие от времени.

Состояние системы описывается набором переменных, причем некоторые из них меняются непрерывно. При таком подходе пользователь должен составлять процедуры, описывающие условия наступления событий, законы изменения непрерывных переменных, правила перехода от одного состояния к другому, т.е. реализуется классический принцип ДУ.

Группы языков моделирования, ориентированные на дискретное время, используются при построении именно имитационных моделей, но при этом используются разные способы описания динамического поведения исследуемого объекта.

16. Содержание основных документов. Техническое задание

Основными программными документами являются: техническое задание, пояснительная записка, программа и методика испытаний, текст программы и эксплуатационные документы.

Техническое задание включает следующие разделы:

  • введение - даются наименование и краткая характеристика области применения программного изделия;

  • основания для разработки - указываются наименования документов, на основании которых ведется разработка;

  • назначение разработки - определяются функциональное и эксплуатационное назначение программного изделия;

  • требования к программному изделию - содержит подразделы:

    • требования к функциональным характеристикам (составу выполняемых функций, организации входных и выходных данных и т.п.); к надежности (обеспечение устойчивого функционирования, контроль входной и выходной информации т.п.);

    • условия эксплуатации (условия окружающей среды, выбор типов носителей информации, вид обслуживания, количество и квалификация персонала);

    • требования к составу и параметрам технических средств; к информационной и программной совместимости (требования к языкам программирования, программным и операционным системам);

  • требования к программной документации - дается состав программной документации и требования к ней;

  • технико-экономические показатели;

  • стадии и этапы разработки - устанавливаются необходимые стадии, этапы и содержание работ, а также сроки разработки;

  • порядок контроля и приемки - указываются виды испытаний и общие требования к приемке работы.

Основными программными документами являются: техническое задание, пояснительная записка, программа и методика испытаний, текст программы и эксплуатационные документы.

17. Классификация моделей сложных систем

Будем считать систему сложной, если она состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов, каждый из которых может быть представлен в виде системы.

Формальная классификация моделей основывается на классификации используемых математических средств. Часто строится в форме дихотомий. Например, один из популярных наборов дихотомий:

  • линейные или нелинейные модели;

  • сосредоточенные или распределённые системы;

  • детерминированные или стохастические;

  • статические или динамические;

  • дискретные или непрерывные;

  • и так далее.

Каждая построенная модель является линейной или нелинейной, детерминированной или стохастической, … Естественно, что возможны и смешанные типы: в одном отношении сосредоточенные (по части параметров), в другом — распределённые модели и т. д.

Наряду с формальной классификацией, модели различаются по способу представления объекта:

  • структурные модели;

  • функциональные модели.

Структурные модели представляют объект как систему со своим устройством и механизмом функционирования. Функциональные модели не используют таких представлений и отражают только внешне воспринимаемое поведение (функционирование) объекта. В их предельном выражении они называются также моделями «чёрного ящика». Возможны также комбинированные типы моделей, которые иногда называют моделями «серого ящика».

Практически все авторы, описывающие процесс математического моделирования, указывают, что сначала строится особая идеальная конструкция, содержательная модель (концептуальная модель, умозрительная модель или предмодель). При этом финальная математическая конструкция называется формальной моделью или просто математической моделью, полученной в результате формализации данной содержательной модели (предмодели). Построение содержательной модели может производиться с помощью набора готовых идеализаций, как в механике, где идеальные пружины, твёрдые тела, идеальные маятники, упругие среды и т.п. дают готовые структурные элементы для содержательного моделирования. Однако в областях знания, где не существует полностью завершенных формализованных теорий (передний край физики, биология, экономика, социология, психология, и большинство других областей), создание содержательных моделей резко усложняется.

В основе содержательной классификации - этапы, предшествующие математическому анализу и вычислениям. Восемь типов моделей по Р. Пайерлсу суть восемь типов исследовательских позиций при моделировании.

19. Сети Петри

Моделирование в сетях Петри осуществляется на событийном уровне. Определяются, какие действия происходят в системе, какие состояние предшествовали этим действиям и какие состояния примет система после выполнения действия. Выполнения событийной модели в сетях Петри описывает поведение системы. Анализ результатов выполнения может сказать о том, в каких состояниях пребывала или не пребывала система, какие состояния в принципе не достижимы. Однако, такой анализ не дает числовых характеристик, определяющих состояние системы.

Не смотря на описанные выше достоинства сетей Петри, неудобства применения сетей Петри в качестве языка программирования заключены в процессе их выполнения в вычислительной системе. В сетях Петри нет строго понятия процесса, который можно было бы выполнять на указанном процессоре. Нет также однозначной последовательности исполнения сети Петри, так как исходная теория представляет нам язык для описания параллельных процессов.

Сети Петри имеют удобную графическую форму представления в виде графа, в котором места изображаются кружками, а переходы прямоугольниками. Здесь число называется кратностью дуги, которое графически изображается рядом с дугой. Дуги, имеющие единичную кратность, будут обозначаться без приписывания единицы.

Сети Петри были разработаны и используются для моделирования параллельных и асинхронных систем. При моделировании в сетях Петри места символизируют какое-либо состояние системы, а переход символизируют какие-то действия, происходящие в системе. Система, находясь в каком-то состоянии, может порождать определенные действия, и наоборот, выполнение какого-то действия переводит систему из одного состояния в другое.

Текущее состояние системы определяет маркировка сети Петри, т.е. расположение меток (токенов) в местах сети. Выполнение действия в системе, в сетях Петри определяется как срабатывание переходов. Срабатывание переходов порождает новую маркировку, т.е. порождает новое размещение меток (токенов) в сети. Определим функционирование маркированных сетей, основанное на срабатывании отдельных переходов.

Само по себе понятие сети имеет статическую природу. Для задания динамических характеристик используется понятие маркировки сети , т.е. функции , сопоставляющей каждому месту целое число. Графически маркировка изображается в виде точек, называемых метками (tokens), и располагающихся в кружках, соответствующих местам сети. Отсутствие меток в некотором месте говорит о нулевой маркировке этого места.

Модели и методы

1. Классификация математических моделей

Математическая модель (ММ) технического объекта есть совокупность математических объектов (чисел, пере­менных, матриц, множеств и т. п.) и отношений между ними, которая адекватно отображает свойства технического объекта, интересующие инженера, разрабатывающего этот объект.

Главные требования к математическим моделям в САПР:

  • адекватность представления моделируемых объектов;

Адекватность имеет место, если модель отражает заданные свойства объекта с приемлемой точностью и оценивается перечнем отражаемых свойств и областями адекватности. Область адекватности – область в пространстве параметров, в пределах которой погрешности модели остаются в допустимых приделах.

  • экономичность (вычислительная эффективность) – определяется затратами ресурсов, требуемых для реализации модели (затраты машинного времени, используемая память и др.);

  • точность – определяет степень совпадения расчетных и истинных результатов (степень соответствия оценок одноименных свойств объекта и модели).

К математическим моделям предъявляется и целый ряд других требований:

  1. Вычислимость, т.е. возможность ручного или с помощью ЭВМ исследования качественных и количественных закономерностей функционирования объекта (системы).

  2. Модульность, т.е. соответствие конструкций модели структурным составляющим объекта (системы).

  3. Алгоритмизируемость, т.е. возможность разработки соответствующего алгоритма и программы, реализующей математическую модель на ЭВМ.

  4. Наглядность, т.е. удобное визуальное восприятие модели.

Таблица. Классификация математических моделей

Признаки классификации

Виды математических моделей

1. Принадлежность к иерархическому уровню

  1. Модели микроуровня

  2. Модели макроуровня

  3. Модели метауровня

2. Характер отображаемых свойств объекта

  1. Структурные

  2. Функциональные

3. Способ представления свойств объекта

  1. Аналитические

  2. Алгоритмические

  3. Имитационные

4. Способ получения модели

  1. Теоретические

  2. Эмпирические

5. Особенности поведения объекта

  1. Детерминированные

  2. Вероятностные

Математические модели на микроуровне производственного процесса отражают физические процессы, протекающие, например, при резании металлов. Они описывают процессы на уровне перехода.

Математические модели на макроуровне производственного процесса описывают технологические процессы.

Математические модели на метауровне производственного процесса описывают технологические системы (участки, цехи, предприятие в целом).

Структурные математические модели предназначены для отображения структурных свойств объектов. Например, в САПР ТП для представления структуры технологического процесса, расцеховки изделий используется структурно – логические модели.

Функциональные математические модели предназначены для отображения информационных, физических, временных процессов, протекающих в работающем оборудовании, в ходе выполнения технологических процессов и т.д.

Теоретические математические модели создаются в результате исследования объектов (процессов) на теоретическом уровне.

Эмпирические математические модели создаются в результате проведения экспериментов (изучения внешних проявлений свойств объекта с помощью измерения его параметров на входе и выходе) и обработки их результатов методами математической статистики.

Детерминированные математические модели описывают поведение объекта с позиций полной определенности в настоящем и будущем. Примеры таких моделей : формулы физических законов, технологические процессы обработки деталей и т.д.

Вероятностные математические модели учитывают влияние случайных факторов на поведение объекта, т.е. оценивают его будущее с позиций вероятности тех или иных событий.

Аналитические модели - численные математические модели, которые можно представить в виде явно выраженных зависимостей выходных параметров от параметров внутренних и внешних.

Алгоритмические математические модели выражают связи между выходными параметрами и параметрами входными и внутренними в виде алгоритма.

Имитационные математические модели – это алгоритмические модели, отражающие развитие процесса (поведение исследуемого объекта) во времени при задании внешних воздействий на процесс (объект). Например, это модели систем массового обслуживания, заданные в алгоритмической форме.

2. Уровни абстракций математических моделей

Деление моделей по иерархическим уровням (уровням абстрагирования) про­исходит по степени детализации описываемых свойств и процессов, протекающих в объекте. Существует три укрупненных уровня абстракций: микро-, макро-, метауровень.

  • На микроуровне используют модели, отображающие физические процессы в непрерывном пространстве и времени. Примерами таких уравнений служат дифференциальные уравнения в частных производных - уравнения электродинамики, теплопроводности, упругости, газовой динамики. Независимыми пе­ременными являются время и пространственные коорди­наты. Для моделирования применяют аппарат уравнений математической физики.

  • На макроуровне используются укрупнение, детализация пространства по фундаментальному признаку. Функциональные модели на макроуровне представляют собой системы алгебраических или обыкновенных дифференциальных уравнений, для их получения и решения используют соответствующие численные методы. При этом из числа независимых переменных исключают пространственные координаты

  • На метауровне с помощью дальнейшего абстрагирования от характера физических процессов удается получить приемлемое по сложности описание информационных процессов, протекающих в проектируемых объектах. Математические модели на метауровне — системы обыкновенных дифференциальных уравнений, системы логических уравнений, имитационные модели систем массового обслуживания. Для моделирования применяют аппарат анализа систем автоматического управлення, математическую логику, теорию конечных автоматов, теорию массового обслуживания.

3. Требования к математическим моделям

Математическая модель (ММ) технического объекта есть совокупность математических объектов (чисел, пере­менных, матриц, множеств и т. п.) и отношений между ними, которая адекватно отображает свойства технического объекта, интересующие инженера, разрабатывающего этот объект.

Точность – оценивается степенью совпадения значений моделируемого объекта и параметров, рассчитанных с помощью модели.

Адекватность – способность отображать свойства объекта с погрешностью, не превышающей заданную. Адекватность модели имеет место лишь в ограниченной области изменения внешних переменных – области адекватности математической модели.

Экономичность – определяется ресурсами для реализации алгоритма (затрата машинного времени).

Степень универсальности – оценивается количеством объектов проектирования, к которым применяется математическая модель.

4. Схема построения стохастических моделей

Построение стохастической модели включает разработку, оценку качества и исследование поведения системы с помощью уравнений, описывающих изучаемый процесс. Для этого путем проведения специального эксперимента с реальной системой добывается исходная информация. При этом используются методы планирования эксперимента, обработки результатов, а также критерии оценки полученных моделей, базирующиеся на таких разделах математической статистики как дисперсионный, корреляционный, регрессионный анализ и др.

Этапы разработки стохастической модели:

  1. постановка задачи

  2. выбор факторов и параметров

  3. выбор вида модели

  4. планирование эксперимента

  5. реализация эксперимента по плану

  6. построение статистической модели

  7. проверка адекватности модели (связана с 8, 9, 2, 3, 4)

  8. корректировка модели

  9. исследование процесса с помощью модели (связано с 11)

  10. определение параметров оптимизации и ограничений

  11. оптимизация процесса с помощью модели (связана с 10 и 13)

  12. экспериментальная информация средств автоматики

  13. управление процессом с помощью модели (связано с 12)

Объединение этапов с 1 по 9 дает нам информационную модель, с первого по одиннадцатый – оптимизационная модель, объединение всех пунктов – модель управления.

5. Инструментальные средства обработки моделей

С помощью CAE-систем можно производить следующие процедуры обработки моделей:

  • наложение сетки конечных элементов на 3-х мерную модель,

  • задачи теплонапряженного состояния; задачи гидрогазодинамики;

  • задачи тепломассообмена;

  • контактные задачи;

  • кинематические и динамические расчеты и др.

  • имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей массового обслуживания и сетей Петри

Обычно CAE-модули дают возможность цветного и полутонового изображения, наложения исходной и деформированной детали, визуализации потоков жидкости и газа.

Примеры систем моделирования полей физических величин в соответствии с МКЭ: Nastrаn, Ansys, Cosmos, Nisa, Moldflow.

Примеры систем моделирования динамических процессов на макроуровне: Adams и Dyna — в механических системах, Spice — в электронных схемах, ПА9 — для многоаспектного моделирования, т.е. для моделирования систем, принципы действия которых основаны на взаимовлиянии физических процессов различной природы.

6. Математическое моделирование. Аналитические и имитационные модели

Математическая модель - совокупность математических объектов (чисел, переменных, множеств и др.) и отношений между ними, которая адекватно отображает некоторые (существенные) свойства проектируемого технического объекта. Математические модели могут быть геометрическими, топологическими, динамическими, логическими и др.

Главные требования к математическим моделям в САПР:

- адекватность представления моделируемых объектов;

Область адекватности - область в пространстве параметров, в пределах которой погрешности модели остаются в допустимых приделах.

- экономичность (вычислительная эффективность) - определяется затратами ресурсов,
требуемых для реализации модели (затраты машинного времени, используемая память и др.);

- точность - определяет степень совпадения расчетных и истинных результатов (степень соответствия оценок одноименных свойств объекта и модели).

Математическое моделирование - процесс построения математических моделей. Включает следующие этапы: постановка задачи; построение модели и ее анализ; разработка методов получения проектных решений на модели; экспериментальная проверка и корректировка модели и методов.

Качество создаваемых математических моделей во многом зависит от правильной постановки задачи. Необходимо определить технико-экономические цели решаемой задачи, провести сбор и анализ всей исходной информации, определить технические ограничения. В процессе построения моделей следует использовать методы системного анализа.

Процесс моделирования, как правило, носит итерационный характер, который предусматривает на каждом шаге итераций уточнение предыдущих решений, принятых на предшествующих этапах разработки моделей.

Аналитические модели - численные математические модели, которые можно представить в виде явно выраженных зависимостей выходных параметров от параметров внутренних и внешних. Имитационные модели — численные алгоритмические модели, отображающие процессы в системе при наличии внешних воздействий на систему. Алгоритмические модели - модели, в которых связь выходных, внутренних и внешних параметров задана неявно в виде алгоритма моделирования. Имитационные модели используют часто на системном уровне проектирования. Имитационное моделирование производят путем воспроизведения событий, происходящих одновременно или последовательно в модельном времени. Примером имитационной модели может считаться использование сети Петри для моделирования системы массового обслуживания.

7. Основные принципы построения математических моделей

Классический (индуктивный) подход. Реальный объект, подлежащий моделированию, разбивается на отдельные подсистемы, т.е. выбираются исходные данные для моделирования и ставятся цели, отображающие отдельные стороны процесса моделирования. По отдельной совокупности исходных данных ставится цель моделирования отдельной стороны функционирования системы, на базе этой цели формируется некоторая компонента будущей модели. Совокупность компонент объединяется в модель.

Такой классический подход может быть использован при создании достаточно простых моделей, в которых возможно разделение и взаимно независимое рассмотрение отдельных сторон функционирования реального объекта. Реализует движение от частного к общему.

Системный подход. На основе исходных данных, которые известны из анализа внешней системы, тех ограничений, которые накладываются на систему сверху либо исходя из возможностей ее реализации, и на основе цели функционирования формулируются исходные требования к модели системы. На базе этих требований формируются ориентировочно некоторые подсистемы , элементы и осуществляется наиболее сложный этап синтеза – выбор составляющих системы, для чего используются специальные критерии выбора. Системный подход предполагает и некоторую последовательность разработки моделей, заключающуюся в выделении двух основных стадий проектирования: макропроектирование и микропроектирование.

Стадия макропроектирования – на основе данных о реальной системе и внешней среде строится модель внешней среды, выявляются ресурсы и ограничения для построения модели системы, выбирается модель системы и критерии, позволяющие оценить адекватность модели реальной системы. Построив модель системы и модель внешней среды, на основе критерия эффективности функционирования системы в процессе моделирования выбирают оптимальную стратегию управления, что позволяет реализовать возможность модели по воспроизведению отдельных сторон функционирования реальной системы.

Стадия микропроектирования в значительной степени зависит от конкретного типа выбранной модели. В случае имитационной модели необходимо обеспечить создание информационного, математического, технического и программного обеспечения системы моделирования. На этой стадии можно установить основные характеристики созданной модели, оценить время работы с ней и затраты ресурсов для получения заданного качества соответствия модели процессу функционирования системы .Независимо от типа используемой модели при ее построении необходимо руководствоваться рядом принципов системного подхода:

  • пропорционально-последовательное продвижение по этапам и направлениям создания модели;

  • согласование информационных, ресурсных, надежностных и других характеристик;

  • правильное соотношение отдельных уровней иерархии в системе моделирования;

  • целостность отдельных обособленных стадий построения модели.

    1. Анализ применяемых методов при математическом моделировании

При математическом моделировании решение дифференциальных или интегро-дифференциальных уравнений с частными производными выполняется численными методами. Эти методы основаны на дискретизации независимых переменных — их представлении конечным множеством значений в выбранных узловых точках исследуемого пространства. Эти точки рассматриваются как узлы некоторой сетки.

Среди сеточных методов наибольшее распространение получили два метода: метод конечных разностей (МКР) и метод конечных элементов (МКЭ). Обычно выполняют дискретизацию пространственных независимых переменных, т.е. используют пространственную сетку. В этом случае результатом дискретизации является система обыкновенных дифференциальных уравнений, которые затем при использовании краевых условий приводятся к системе алгебраических уравнений.

Пусть необходимо решить уравнениеLV(z) = f(z)

с заданными краевыми условиямиMV(z) = .(z),

где L и M — дифференциальные операторы, V(z) — фазовая переменная, z = (x1, x2, x3, t) — вектор независимых переменных, f(z) и ψ.(z) — заданные функции независимых переменных.

В МКР алгебраизация производных по пространственным координатам базируется на аппроксимации производных конечно-разностными выражениями. При использовании метода нужно выбрать шаги сетки по каждой координате и вид шаблона. Под шаблоном понимают множество узловых точек, значения переменных в которых используются для аппроксимации производной в одной конкретной точке.

МКЭ основан на аппроксимации не производных, а самого решения V(z). Но поскольку оно неизвестно, то аппроксимация выполняется выражениями с неопределенными коэффициентами.

При этом речь идет об аппроксимациях решения в пределах конечных элементов, а с учетом их малых размеров можно говорить об использовании сравнительно простых аппроксимирующих выражений (например, — полиномы низких степеней). В результате подстановки таких полиномов в исходное дифференциальное уравнение и выполнения операций дифференцирования получают значения фазовых переменных в заданных точках.

Полиномиальная аппроксимация. Использование методов связано с возможностью аппроксимации гладкой функции полиномом и последующего использования аппроксимирующего полинома для оценивания координаты точки оптимума . Необходимыми условиями эффективной реализации такого подхода являются унимодальность и непрерывность исследуемой функции. Согласно теореме Вейерштрасса об аппроксимации, если функция непрерывна в некотором интервале, то ее с любой степенью точности можно аппроксимировать полиномом достаточно высокого порядка. Согласно теореме Вейерштрасса, качество оценок координаты точки оптимума, получаемых с помощью аппроксимирующего полинома, можно повысить двумя способами: использованием полинома более высо­кого порядка и уменьшением интервала аппроксимации. Простейшим вариантом полиномиальной интерполяции является квадратичная аппроксимация, которая основана на том факте, что функция, принимающая минимальное значение во внутренней точке интервала, должна быть по крайней мере квадратичной

Дисциплина  «Модели и методы анализа проектных решений» (Казаков Ю.М.)

  1. Классификация математических моделей.

  2. Уровни абстракции математических моделей.

  3. Требования к математическим моделям.

  4. Схема построения стохастических моделей.

  5. Инструментальные средства обработки моделей.

  6. Математическое моделирование. Аналитические и имитационные модели.

  7. Основные принципы построения математических моделей.

  8. Анализ применяемых методов при математическом моделировании.

1. Классификация математических моделей

Математическая модель (ММ) технического объекта есть совокупность математических объектов (чисел, пере­менных, матриц, множеств и т. п.) и отношений между ними, которая адекватно отображает свойства технического объекта, интересующие инженера, разрабатывающего этот объект.

По характеру отображения свойств объекта:

  • Функциональные – предназначены для отображения физических или информационных процессов, протекающих в технических системах при их функционировании. Типичная функциональная модель представляет собой систему уравнений, описывающих либо электрические, тепловые, механические процессы, либо процессы преобразования информации.

  • Структурные – отображают структурные свойства объекта (топологические, геометрические). . Струк­турные модели чаще всего представляются в виде графов.

По принадлежности к иерархическому уровню:

  • Модели микроуровня – отображение физических процессов в непрерывном пространстве и времени. Для моделирования применяют аппарат урав­нений математической физики. Примерами таких уравне­ний служат дифференциальные уравнения в частных про­изводных.

  • Модели макроуровня. Используются укрупнение, детализация пространства по фундаментальному признаку. Функциональные модели на макроуровне представля­ют собой системы алгебраических или обыкновенных диф­ференциальных уравнений, для их получения и решения используют соответствующие численные методы.

  • Модели метоуровня. Укрупнено описывают рассматриваемые объекты. Математические модели на метауровне — системы обыкновенных дифференциальных уравнений, системы логических уравнений, имитационные модели систем массового обслуживания.

По способу получения модели:

  • Теоретические – строятся на основании изучения закономерности. В отличии от эмпирических моделей, теоретические в большинстве случаев являются более универсальными и применимыми для более широкого диапазона задач. Теоретические модели бывают линейными и нелинейными, непрерывными и дискретными, динамическими и статистическими.

  • Эмпирические

Главные требования к математическим моделям в САПР:

  • адекватность представления моделируемых объектов;

Адекватность имеет место, если модель отражает заданные свойства объекта с приемлемой точностью и оценивается перечнем отражаемых свойств и областями адекватности. Область адекватности – область в пространстве параметров, в пределах которой погрешности модели остаются в допустимых приделах.

  • экономичность (вычислительная эффективность) – определяется затратами ресурсов, требуемых для реализации модели (затраты машинного времени, используемая память и др.);

  • точность – определяет степень совпадения расчетных и истинных результатов (степень соответствия оценок одноименных свойств объекта и модели).

К математическим моделям предъявляется и целый ряд других требований:

  1. Вычислимость, т.е. возможность ручного или с помощью ЭВМ исследования качественных и количественных закономерностей функционирования объекта (системы).

  2. Модульность, т.е. соответствие конструкций модели структурным составляющим объекта (системы).

  3. Алгоритмизируемость, т.е. возможность разработки соответствующего алгоритма и программы, реализующей математическую модель на ЭВМ.

  4. Наглядность, т.е. удобное визуальное восприятие модели.

Таблица. Классификация математических моделей

Признаки классификации

Виды математических моделей

1. Принадлежность к иерархическому уровню

  1. Модели микроуровня

  2. Модели макроуровня

  3. Модели метауровня

2. Характер отображаемых свойств объекта

  1. Структурные

  2. Функциональные

3. Способ представления свойств объекта

  1. Аналитические

  2. Алгоритмические

  3. Имитационные

4. Способ получения модели

  1. Теоретические

  2. Эмпирические

5. Особенности поведения объекта

  1. Детерминированные

  2. Вероятностные

Математические модели на микроуровне производственного процесса отражают физические процессы, протекающие, например, при резании металлов. Они описывают процессы на уровне перехода.

Математические модели на макроуровне производственного процесса описывают технологические процессы.

Математические модели на метауровне производственного процесса описывают технологические системы (участки, цехи, предприятие в целом).

Структурные математические модели предназначены для отображения структурных свойств объектов. Например, в САПР ТП для представления структуры технологического процесса, расцеховки изделий используется структурно – логические модели.

Функциональные математические модели предназначены для отображения информационных, физических, временных процессов, протекающих в работающем оборудовании, в ходе выполнения технологических процессов и т.д.

Теоретические математические модели создаются в результате исследования объектов (процессов) на теоретическом уровне.

Эмпирические математические модели создаются в результате проведения экспериментов (изучения внешних проявлений свойств объекта с помощью измерения его параметров на входе и выходе) и обработки их результатов методами математической статистики.

Детерминированные математические модели описывают поведение объекта с позиций полной определенности в настоящем и будущем. Примеры таких моделей : формулы физических законов, технологические процессы обработки деталей и т.д.

Вероятностные математические модели учитывают влияние случайных факторов на поведение объекта, т.е. оценивают его будущее с позиций вероятности тех или иных событий.

Аналитические модели - численные математические модели, которые можно представить в виде явно выраженных зависимостей выходных параметров от параметров внутренних и внешних.

Алгоритмические математические модели выражают связи между выходными параметрами и параметрами входными и внутренними в виде алгоритма.

Имитационные математические модели – это алгоритмические модели, отражающие развитие процесса (поведение исследуемого объекта) во времени при задании внешних воздействий на процесс (объект). Например, это модели систем массового обслуживания, заданные в алгоритмической форме.

2. Уровни абстракций математических моделей

Деление моделей по иерархическим уровням (уровням абстрагирования) про­исходит по степени детализации описываемых свойств и процессов, протекающих в объекте. Существует три укрупненных уровня абстракций: микро-, макро-, метауровень.

  • На микроуровне используют модели, отображающие физические процессы в непрерывном пространстве и времени. Примерами таких уравнений служат дифференциальные уравнения в частных производных - уравнения электродинамики, теплопроводности, упругости, газовой динамики. Независимыми пе­ременными являются время и пространственные коорди­наты. Для моделирования применяют аппарат уравнений математической физики.

  • На макроуровне используются укрупнение, детализация пространства по фундаментальному признаку. Функциональные модели на макроуровне представляют собой системы алгебраических или обыкновенных дифференциальных уравнений, для их получения и решения используют соответствующие численные методы. При этом из числа независимых переменных исключают пространственные координаты

  • На метауровне с помощью дальнейшего абстрагирования от характера физических процессов удается получить приемлемое по сложности описание информационных процессов, протекающих в проектируемых объектах. Математические модели на метауровне — системы обыкновенных дифференциальных уравнений, системы логических уравнений, имитационные модели систем массового обслуживания. Для моделирования применяют аппарат анализа систем автоматического управлення, математическую логику, теорию конечных автоматов, теорию массового обслуживания.

3. Требования к математическим моделям

Математическая модель (ММ) технического объекта есть совокупность математических объектов (чисел, пере­менных, матриц, множеств и т. п.) и отношений между ними, которая адекватно отображает свойства технического объекта, интересующие инженера, разрабатывающего этот объект.

Точность – оценивается степенью совпадения значений моделируемого объекта и параметров, рассчитанных с помощью модели.

Адекватность – способность отображать свойства объекта с погрешностью, не превышающей заданную. Адекватность модели имеет место лишь в ограниченной области изменения внешних переменных – области адекватности математической модели.

Экономичность – определяется ресурсами для реализации алгоритма (затрата машинного времени).

Степень универсальности – оценивается количеством объектов проектирования, к которым применяется математическая модель.

4. Схема построения стохастических моделей

Построение стохастической модели включает разработку, оценку качества и исследование поведения системы с помощью уравнений, описывающих изучаемый процесс. Для этого путем проведения специального эксперимента с реальной системой добывается исходная информация. При этом используются методы планирования эксперимента, обработки результатов, а также критерии оценки полученных моделей, базирующиеся на таких разделах математической статистики как дисперсионный, корреляционный, регрессионный анализ и др.

Этапы разработки стохастической модели:

  1. постановка задачи

  2. выбор факторов и параметров

  3. выбор вида модели

  4. планирование эксперимента

  5. реализация эксперимента по плану

  6. построение статистической модели

  7. проверка адекватности модели (связана с 8, 9, 2, 3, 4)

  8. корректировка модели

  9. исследование процесса с помощью модели (связано с 11)

  10. определение параметров оптимизации и ограничений

  11. оптимизация процесса с помощью модели (связана с 10 и 13)

  12. экспериментальная информация средств автоматики

  13. управление процессом с помощью модели (связано с 12)

Объединение этапов с 1 по 9 дает нам информационную модель, с первого по одиннадцатый – оптимизационная модель, объединение всех пунктов – модель управления.

5. Инструментальные средства обработки моделей

С помощью CAE-систем можно производить следующие процедуры обработки моделей:

  • наложение сетки конечных элементов на 3-х мерную модель,

  • задачи теплонапряженного состояния; задачи гидрогазодинамики;

  • задачи тепломассообмена;

  • контактные задачи;

  • кинематические и динамические расчеты и др.

  • имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей массового обслуживания и сетей Петри

Обычно CAE-модули дают возможность цветного и полутонового изображения, наложения исходной и деформированной детали, визуализации потоков жидкости и газа.

Примеры систем моделирования полей физических величин в соответствии с МКЭ: Nastrаn, Ansys, Cosmos, Nisa, Moldflow.

Примеры систем моделирования динамических процессов на макроуровне: Adams и Dyna — в механических системах, Spice — в электронных схемах, ПА9 — для многоаспектного моделирования, т.е. для моделирования систем, принципы действия которых основаны на взаимовлиянии физических процессов различной природы.

6. Математическое моделирование. Аналитические и имитационные модели

Математическая модель - совокупность математических объектов (чисел, переменных, множеств и др.) и отношений между ними, которая адекватно отображает некоторые (существенные) свойства проектируемого технического объекта. Математические модели могут быть геометрическими, топологическими, динамическими, логическими и др.

Главные требования к математическим моделям в САПР:

- адекватность представления моделируемых объектов;

Область адекватности - область в пространстве параметров, в пределах которой погрешности модели остаются в допустимых приделах.

- экономичность (вычислительная эффективность) - определяется затратами ресурсов,
требуемых для реализации модели (затраты машинного времени, используемая память и др.);

- точность - определяет степень совпадения расчетных и истинных результатов (степень соответствия оценок одноименных свойств объекта и модели).

Математическое моделирование - процесс построения математических моделей. Включает следующие этапы: постановка задачи; построение модели и ее анализ; разработка методов получения проектных решений на модели; экспериментальная проверка и корректировка модели и методов.

Качество создаваемых математических моделей во многом зависит от правильной постановки задачи. Необходимо определить технико-экономические цели решаемой задачи, провести сбор и анализ всей исходной информации, определить технические ограничения. В процессе построения моделей следует использовать методы системного анализа.

Процесс моделирования, как правило, носит итерационный характер, который предусматривает на каждом шаге итераций уточнение предыдущих решений, принятых на предшествующих этапах разработки моделей.

Аналитические модели - численные математические модели, которые можно представить в виде явно выраженных зависимостей выходных параметров от параметров внутренних и внешних. Имитационные модели — численные алгоритмические модели, отображающие процессы в системе при наличии внешних воздействий на систему. Алгоритмические модели - модели, в которых связь выходных, внутренних и внешних параметров задана неявно в виде алгоритма моделирования. Имитационные модели используют часто на системном уровне проектирования. Имитационное моделирование производят путем воспроизведения событий, происходящих одновременно или последовательно в модельном времени. Примером имитационной модели может считаться использование сети Петри для моделирования системы массового обслуживания.

7. Основные принципы построения математических моделей

При построении математических моделей ориентируются на два основных подхода: классический (индуктивный), системный.

Классический (индуктивный) подход. Реальный объект, подлежащий моделированию, разбивается на отдельные подсистемы, т.е. выбираются исходные данные для моделирования и ставятся цели, отображающие отдельные стороны процесса моделирования. По отдельной совокупности исходных данных ставится цель моделирования отдельной стороны функционирования системы, на базе этой цели формируется некоторая компонента будущей модели. Совокупность компонент объединяется в модель.

Такой классический подход может быть использован при создании достаточно простых моделей, в которых возможно разделение и взаимно независимое рассмотрение отдельных сторон функционирования реального объекта. Реализует движение от частного к общему.

Системный подход. На основе исходных данных, которые известны из анализа внешней системы, тех ограничений, которые накладываются на систему сверху либо исходя из возможностей ее реализации, и на основе цели функционирования формулируются исходные требования к модели системы. На базе этих требований формируются ориентировочно некоторые подсистемы , элементы и осуществляется наиболее сложный этап синтеза – выбор составляющих системы, для чего используются специальные критерии выбора. Системный подход предполагает и некоторую последовательность разработки моделей, заключающуюся в выделении двух основных стадий проектирования: макропроектирование и микропроектирование.

Стадия макропроектирования – на основе данных о реальной системе и внешней среде строится модель внешней среды, выявляются ресурсы и ограничения для построения модели системы, выбирается модель системы и критерии, позволяющие оценить адекватность модели реальной системы. Построив модель системы и модель внешней среды, на основе критерия эффективности функционирования системы в процессе моделирования выбирают оптимальную стратегию управления, что позволяет реализовать возможность модели по воспроизведению отдельных сторон функционирования реальной системы.

Стадия микропроектирования в значительной степени зависит от конкретного типа выбранной модели. В случае имитационной модели необходимо обеспечить создание информационного, математического, технического и программного обеспечения системы моделирования. На этой стадии можно установить основные характеристики созданной модели, оценить время работы с ней и затраты ресурсов для получения заданного качества соответствия модели процессу функционирования системы .Независимо от типа используемой модели при ее построении необходимо руководствоваться рядом принципов системного подхода:

  • пропорционально-последовательное продвижение по этапам и направлениям создания модели;

  • согласование информационных, ресурсных, надежностных и других характеристик;

  • правильное соотношение отдельных уровней иерархии в системе моделирования;

  • целостность отдельных обособленных стадий построения модели.

    1. Анализ применяемых методов при математическом моделировании

При математическом моделировании решение дифференциальных или интегро-дифференциальных уравнений с частными производными выполняется численными методами. Эти методы основаны на дискретизации независимых переменных — их представлении конечным множеством значений в выбранных узловых точках исследуемого пространства. Эти точки рассматриваются как узлы некоторой сетки.

Среди сеточных методов наибольшее распространение получили два метода: метод конечных разностей (МКР) и метод конечных элементов (МКЭ). Обычно выполняют дискретизацию пространственных независимых переменных, т.е. используют пространственную сетку. В этом случае результатом дискретизации является система обыкновенных дифференциальных уравнений, которые затем при использовании краевых условий приводятся к системе алгебраических уравнений.

Пусть необходимо решить уравнениеLV(z) = f(z)

с заданными краевыми условиямиMV(z) = .(z),

где L и M — дифференциальные операторы, V(z) — фазовая переменная, z = (x1, x2, x3, t) — вектор независимых переменных, f(z) и ψ.(z) — заданные функции независимых переменных.

В МКР алгебраизация производных по пространственным координатам базируется на аппроксимации производных конечно-разностными выражениями. При использовании метода нужно выбрать шаги сетки по каждой координате и вид шаблона. Под шаблоном понимают множество узловых точек, значения переменных в которых используются для аппроксимации производной в одной конкретной точке.

МКЭ основан на аппроксимации не производных, а самого решения V(z). Но поскольку оно неизвестно, то аппроксимация выполняется выражениями с неопределенными коэффициентами.

При этом речь идет об аппроксимациях решения в пределах конечных элементов, а с учетом их малых размеров можно говорить об использовании сравнительно простых аппроксимирующих выражений (например, — полиномы низких степеней). В результате подстановки таких полиномов в исходное дифференциальное уравнение и выполнения операций дифференцирования получают значения фазовых переменных в заданных точках.

Полиномиальная аппроксимация. Использование методов связано с возможностью аппроксимации гладкой функции полиномом и последующего использования аппроксимирующего полинома для оценивания координаты точки оптимума . Необходимыми условиями эффективной реализации такого подхода являются унимодальность и непрерывность исследуемой функции. Согласно теореме Вейерштрасса об аппроксимации, если функция непрерывна в некотором интервале, то ее с любой степенью точности можно аппроксимировать полиномом достаточно высокого порядка. Согласно теореме Вейерштрасса, качество оценок координаты точки оптимума, получаемых с помощью аппроксимирующего полинома, можно повысить двумя способами: использованием полинома более высо­кого порядка и уменьшением интервала аппроксимации. Простейшим вариантом полиномиальной интерполяции является квадратичная аппроксимация, которая основана на том факте, что функция, принимающая минимальное значение во внутренней точке интервала, должна быть по крайней мере квадратичной

Дисциплина «Геометрическое моделирование в САПР» (Беспалов В.А.)

  1. Концептуальная модель графической системы.

  2. Проблемы обмена данными между различными графическими системами

  3. Современные методы построения фотореалистичных изображений. Стандарты в компьютерной графике.

  4. Представление о геометрическом моделировании и машинной графике. Задачи синтеза, анализа и обработки информации. Области применения средств машинной графики.

  5. Процедурные графические языки.

  6. Синтаксические расширения алгоритмических языков. Способы их реализации.

  7. Геометрическое моделирование. Виды систем моделирования. Внутреннее представление моделей.

  8. Графические языки высокого уровня.

  9. Объектно-ориентированное моделирование.

 

1. Концептуальная модель графической системы.

Концептуальная модель переносимой графической системы показана на рис. 4. Штриховые линии на нем обозначают интерфейсы, при стандартизации которых может быть обеспечена переносимость.

Верхний уровень стандартизации - IGES предназначен для обеспечения мобильности компонент САПР.

Средний уровень стандартизации - уровень базового графического пакета (GKS) определяется выбором базовых функций системы. Этот интерфейс делает базовую графическую систему независимой от области применения.

Нижний уровень стандартизации - уровень связи с виртуальным графическим устройством (CGI) зависит от выбора примитивов ввода/вывода, являющихся абстракцией возможностей устройств. Этот интерфейс делает базовую графическую систему аппаратно-независимой.

Рис.4. Архитектура переносимой графической системы

2. Проблемы обмена данными между различными графическими системами

Т. к. САПР должна явл-ся открытой системой проектир-я, то должен выполняться обмен данными между системами. Эта задача частично выполняется при сохранении созданной модели в формате в 2-х мерной графике – DXF , в 3-х мерной – STEP (открыв как тведотельная модель) и IGES (условно поверхностная, т. е. модель объекта представленная его оболочкой). Некотор системы поддерживают также процедуры import/export, не всегда правильно, правда, правильно распознавая модель. Хотя в системе SolidWork сущ-ет процедура распознавания импортир. моделей.

Так что эта проблема полностью не решена

На сегодняшний день особо остро стоят следующие проблемы:

  • Связывание параметр. чертежей

  • Связыв-е констр и технолог документации.

STEP-стандарт для описания данных об изделии

С середины 80-х годов многие страны вели и ведут в рамках ISO работы по созданию международного стандарта по описанию, передаче и хранению данных об изделии, а также программных инструментов, обеспечивающих поддержку такого стандарта.

Наилучшее решение в этой области реализовано в фундаментальном стандарте CALS-ISO 10303 (неофициальное название STEP – Standart of the Exchange of Product model data).

Цель стандарта – предоставить нейтральный механизм описания данных о продукте на всех стадиях его жизненного цикла.

На сегодняшний день STEP обеспечивает обмен информацией между CAD/CAM системами и системами управления проектами и охватывает:

  • с точки зрения технологии – механообработку и электронику;

  • с точки зрения этапов ЖЦ – этап проектирования;

  • с точки зрения описания свойств изделия – геометрию (форму и размеры).

Основными компонентами STEP являются:

  1. Язык Express - это язык информационного моделирования, предназначенный для описания структуры информационной модели и накладываемых ограничений. Язык обеспечивает описание информационных сущностей (объектов), их атрибутов и связей.

  2. Стандартные решения – структура физического ASCII-файла для хранения модели (так называемый «обменный файл»).

  3. Базовые информационные модели – готовые Express схемы для разных прикладных областей. Для специальных приложений могут быть разработаны свои схемы, и такая работа в рамках ISO ведется постоянно.

3. Современные методы построения фотореалистичных изображений. Стандарты в компьютерной графике.

Ре́ндеринг (англ. rendering — русск. визуализация) термин в компьютерной графике, обозначающий процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы.

Здесь модель — это описание любых объектов или явлений на строго определённом языке или в виде структуры данных. Такое описание может содержать геометрические данные, положение точки наблюдателя, информацию об освещении, степени наличия какого-то вещества, напряжённость физического поля и пр.

Примером визуализации могут служить радарные космические снимки, представляющие в виде изображения данные, полученные посредством радиолокационного сканирования поверхности космического тела, в диапазоне электро-магнитных волн, невидимых человеческим глазом.

Часто в компьютерной графике (художественной и технической) под рендерингом понимают создание плоского изображения (картинки) по разработанной 3D-сцене. Изображение — это цифровое растровое изображение. Синонимом в данном контексте является Визуализация.

Визуализация — один из наиболее важных разделов в компьютерной графике, и на практике он тесным образом связан с остальными. Обычно, программные пакеты трехмерного моделирования и анимации включают в себя также и функцию рендеринга. Существуют отдельные программные продукты, выполняющие рендеринг.

В зависимости от цели, различают пре-рендеринг, как достаточно медленный процесс визуализации, применяющийся в основном при создании видео, и рендеринг в реальном режиме, применяемый в компьютерных играх. Последний часто использует 3D-ускорители.

Компьютерная программа, производящая рендеринг, называется рендером (англ. render) или рендерером (англ. renderer).

На текущий момент разработано множество алгоритмов визуализации. Существующее программное обеспечение может использовать несколько алгоритмов для получения конечного изображения.

Трассирование каждого луча света в сцене непрактично и занимает неприемлемо долгое время. Даже трассирование малого количества лучей, достаточного, чтобы получить изображение, занимает чрезмерное много времени, если не применяется аппроксимация (семплирование).

Вследствие этого, было разработано четыре группы методов, более эффективных, чем моделирование всех лучей света, освещающих сцену:

  • Растеризация (англ. rasterization) и метод сканирования строк (англ. scanline rendering). Визуализация производится проецированием объектов сцены на экран без рассмотрения эффекта перспективы относительно наблюдателя.

  • Ray casting (рейкастинг) (англ. ray casting). Сцена рассматривается, как наблюдаемая из определённой точки. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью которых определяется цвет пиксела на двумерном экране. При этом лучи прекращают своё распространение (в отличие от метода обратного трассирования), когда достигают любого объекта сцены либо её фона. Возможно используются какие-то очень простые техники добавления оптических эффектов. Эффект перспективы получается естественным образом в случае, когда бросаемые лучи запускаются под углом, зависящим от положения пикселя на экране и максимального угла обзора камеры.

  • Глобальное освещение (англ. global illumination, radiosity). Использует математику конечных элементов, чтобы симулировать диффузное распространение света от поверхностей и при этом достигать эффектов «мягкости» освещения.

  • Трассировка лучей (англ. ray tracing) похожа на метод бросания лучей. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью которых определяется цвет пиксела на двумерном экране. Но при этом луч не прекращает своё распространение, а разделяется на три компонента, луча, каждый из которых вносит свой вклад в цвет пиксела на двумерном экране: отражённый, теневой и преломленный. Количество таких разделений на компоненты определяет глубину трассирования и влияет на качество и фотореалистичность изображения. Благодаря своим концептуальным особенностям, метод позволяет получить очень фотореалистичные изображения, но при этом он очень ресурсоёмкий, и процесс визуализации занимает значительные периоды времени.

Передовое программное обеспечение обычно совмещает в себе несколько техник, чтобы получить достаточно качественное и фотореалистичное изображение за приемлемые затраты вычислительных ресурсов.

4. Представление о геометрическом моделировании и машинной графике. Задачи синтеза, анализа и обработки информации. Области применения средств машинной графики.

Компьютерная графика – это область информатики, в сферу интересов которой входят все аспекты формирования изображений с помощью компьютеров. В том случае, если пользователь может управлять характеристиками объектов, говорят об интерактивной компьютерной графике.

При обработке информации, связанной с изображением на мониторе, принято выделять три основных направления: распознавание образов, обработку изображений и машинную графику.

Основная задача распознавания образов состоит в преобразовании уже имеющегося изображения на формально понятный язык символов. Распознавание образов или система технического зрения (COMPUTER VISION) – совокупность методов, позволяющих получить описание изображения, поданного на вход, либо отнести заданное изображение к некоторому классу (так поступают, например, при сортировке почты). Одной из задач COMPUTER VISION является так называемая склетизация объектов, при которой восстанавливается некая основа объекта, его «скелет».

Обработка изображений (IMAGE PROCESSING) рассматривает задачи, в которых и входные и выходные данные являются изображениями. Например, передача изображения с устранением шумов и сжатием данных, переход от одного вида изображения к другому (от цветного к черно-белому) и т.д.

Компьютерная (машинная) графика (COMPUTER GRAPHICS) воспроизводит изображение в случае, когда исходной является информация неизобразительной природы. Например, визуализация экспериментальных данных в виде графиков, гистограмм или диаграмм, вывод информации на экран компьютерных играх, синтез сцен на тренажерах.

Декартова система координат — основа численного моделирования объектов. За единичными исключениями, все графические устройства работают на базе этой системы. Инженеры при необходимости используют и другие системы (полярные, сферические и т. п.), а непосредственно перед выводом информации на графические устройства значения могут быть пересчитаны.

Как задается точка знают все, а как задаются другие фигуры? Окружность задается тремя числами: x- и y-координатами центра и радиусом; для эллипса в дополнение к координатам центра нужно добавить величины двух его полуосей и еще направление одной из осей. Одну и ту же фигуру можно задать разными способами, но обычно выделяют те, для которых количество параметров является минимальным. Это минимальное количество называют «параметрическим числом образа». Составляя программы и алгоритмы машинной графики, надо знать параметрические числа основных геометрических образов.

В задании объекта могут также участвовать «логические параметры». При этом можно ограничиться числами 0 и 1 или же устанавливать параметр по знаку числа. Эти параметры не влияют на параметрические числа объектов. Например, точка на окружности может быть задана значением одной из ее координат (X или Y), но надо будет указать, на какой полуокружности она может находиться.

Способы представления объектов

Коснемся двух различных способов представления геометрических объектов в ЭВМ.

Первый способ — это аналитические модели. Аналитическая модель есть набор чисел и, если необходимо, логических параметров, которые играют роль коэффициентов и других величин в уравнениях, аналитических соотношениях, задающих объект данного типа. Например, для окружности основная форма аналитической модели — координаты центра и радиус, связанные известным соотношением: (x - xc)2 + (y - yc)2 - R2 = 0.

Окружность, как и многие другие объекты, может быть задана в параметрическом виде, где кроме координат есть еще одна переменная величина — параметр. Параметрическое задание образов широко применяется в компьютерной графике.

Второй способ численного моделирования геометрических объектов в ЭВМ — это координатные модели. В простых случаях — это наборы точек, которые принадлежат объектам и задаются координатами. Для кривых и ломанных линий точки располагаются в том же порядке, что и на линии. Упорядочить точки поверхности — более сложная задача: в большинстве случаев точки последовательно размещаются на линиях, проведенных на поверхности.

Координатные модели имеют несколько разновидностей:

  • коодинатно-разностные модели: координаты заменяются на их разность;

  • помимо координат для каждой точки могут быть указаны дополнительные характеристики: проекции нормалей, векторов, значения каких-либо других параметров и т. п.;

  • модели могут дополняться специальными кодами и управляющими командами, например, при описании нескольких кривых это могут быть команды окончания кривых, коды завершения моделей и др.;

  • приближенные координатные модели: предполагается, что в связи с погрешностями измерений и другими нежелательными факторами точки этих моделей сдвинуты относительно их истинного положения; в этом случае возникает задача аппроксимации — поиска такой линии или поверхности, которые бы проходили как можно ближе к заданным точкам.

Многие графические устройства имеют линейные интерполяторы. То есть если это устройсва траекторного типа, то элементы изображения представляются в виде координатных моделей, дополненых упраляющими командами. Последовательно задаваемые в них точки соединяются отрезками прямых, таким образом, все кривые представляются в виде ломанных с мелкими звеньями. Этот принцип позволяет заменять разнообразные и сложные в аналитическом отношении объекты на множества простых объектов. После этого с ними можно производить операции по одним и тем же алгоритмам. Для некоторых алгоритмов последовательные точки могут соединяться дугами каких-либо кривых, что позволяет снизить число опорных точек в модели, не уменьшая точности представления.

5. Процедурные графические языки.

Процедурные языки – это пакеты графических подпрограмм, доступные из программ на самых различных языках. Процедурные языки особенно удобны для тех приложений, в которых некоторой функции можно поставить в соответствие семантическую подпрограмму.

Функционально генерацию изображений и манипуляцию с ними можно представить в виде исполнения команд, использующих имена, координатные и иные данные, характеризующие объект манипулирования. Для выполнения таких действий нет необходимости в наличии графических типов данных, а сами действия удобно представить в соответствующих подпрограммах. Подпрограммы при этом фактически представляют собой мощное и легко модифицируемое семантическое расширение языка.

Обрабатывающую систему можно представить как состоящую из базовой графической системы, осуществляющую чисто графические функции и прикладной программы, осуществляющей необходимые вычисления и управление. Концептуальная модель интерактивной системы при таком подходе представлена на рис. 2.

Рис.2 Концептуальная модель интерактивной системы машинной графики с явным выделением графической компоненты

Назначение графической системы в такой модели состоит в преобразовании двух или трехмерной модели объекта, формируемой прикладной программой, в графические команды и данные, либо передаваемые на устройства, либо запоминаемые в той или иной графической структуре данных.

6. Синтаксические расширения алгоритмических языков. Способы их реализации.

Расширение заключается в разработке дополнительных конструкций языка для описания и манипулирования графическими и геометрическими объектами. Возможны несколько способов реализации такого расширенного языка:

  • модификация существующего транслятора;

  • использование препроцессора, либо макропроцессора, обрабатывающего программу на расширенном языке и превращающего его в программу на исходном языке;

  • использование алгоритмического языка, предусматривающего расширение его набора типов данных и операций над ними самим пользователем.

Несмотря на всю неприспособленность FORTRANa для эффективной обработки сложноструктурированных данных, неудобство его структур управления, большинство реализаций синтаксических расширений было связано именно с FORTRANом из-за его популярности в то время у пользователей.

GRAF, GALA, AВТОКОД, DIGOS, GPL/1.

Одна из первых реализаций графического расширения FORTRANа система GRAF (GRAPHIC ADDITIONS TO FORTRAN). Расширение основывается на введении нового типа переменных DISPLAY, значениями которых являются последовательности графических команд устройства. Имеются встроенные и пользовательские DISPLAY-функции. Из DISPLAY-переменных и функций строятся выражения этого типа. Оператор DISPLAY-присваивания присваивает вычисленное значение переменной соответствующего типа. Предусмотрены средства стирания и вывода на оконечные устройства дисплейных переменных, чтения/записи дисплейного файла, опроса наличия сигналов внимания с графических устройств ввода.

В качестве более мощного (и позднего) графического расширения FORTRANа можно упомянуть систему GALA.

Наряду с FORTRANом в качестве языка для графического расширения использовался ALGOL. Например, система DIGOS, которая состоит из геометрически ориентированного языка, его интерпретатора и трехуровневой структуры данных (PDS – параметрической кольцевой структуры, элементы которой формируются операторами геометрически-ориентированного языка; DDSR3 – структуры данных 3D представления, формируемой из PDS при активации вывода; DDSR2 – структуры данных 2D представления, формируемой из DDSR3 при выполнении преобразований, проецирования и отображения)..

Основные недостатки.

В целом следует отметить, что подход, основанный на синтаксическом расширении того или иного алгоритмического языка, был характерен для раннего, скорее исследовательского, периода развития машинной графики и имеет следующие основные недостатки:

  • требуются значительные затраты труда высококвалифицированных системных программистов как на этапе первоначальной разработки, так и при необходимости расширений;

  • из-за использования в определенной мере экзотического языка безусловно нарушается переносимость прикладных программ;

  • вводимые в язык графические конструкции не имеют сколько-нибудь серьезных преимуществ перед операторами вызова функций или подпрограмм;

  • практически все графические операторы требуют интерпретации, так как они, как правило, программируются как вызовы некоторых библиотечных подпрограмм.

Выше отмеченные недостатки систем с графическим языком высокого уровня привели к тому, что в настоящее время наибольшее применение получили процедурные графические расширения алгоритмических языков, так называемые процедурные языки.

7. Геометрическое моделирование. Виды систем моделирования. Внутреннее представление моделей.

Геометрическое моделирование.

Можно выделить 2 задачи:

1.Построение геометрической модели уже существующего тела.

2.Синтез геометрической модели нового объекта.

При решении 1-ой задачи требуется задание большого количества точек, принадлежащих поверхности объекта. При решении 2-ой задачи геометрическое моделирования, выполняемого в интерактивном режиме основное требование к средствам формирования и представления геометрической модели – удобство манипулирования моделью. Выделяют 3 вида геометрических моделей: каркасные, поверхностные, твёрдотельные.

Каркасная модель представляет собой мн-во вершин и мн-во рёбер, объединяющих данные вершины.

Поверхностная модель: вначале создается трёхмерный каркас, на который затем “натягиваются” различные виды математических поверхностей. Системы поверхностного моделирования поддерживают различные виды поверхностей: линейчатые поверхности, кинематические поверхности и скульптурные поверхности. Над поверхностями можно проводить следующие операции: обрезание пов-сти другой пов-стью или пространственной кривой на поверхности, построение гладких переходов или скруглений между пов-стями.

Преимущество поверхностного моделирования: можно создавать геом. объекты любой степени сложности.

Недостаток: пов-сти не имеют толщины, а реальные объекты представляют собой некий замкнутый объём.

Поверхностная модель объекта представляет собой “скорлупу”, внутри которой пустота, из-за этого возникают проблемы при разбиении объекта на конечные элементы при просчёте масс-инерционных хар-к и при контроле взаимопроникновения деталей в сборке. Поверхностного моделирование явл. Кропотливым процессом – требует знаний по начерт.геом. и развитого пространственного мышления.

Твёрдотельная модель строится из базовых элементов с использованием соответствующих операций: булевы операции, выталкивание, вращение, лофтинг, разделение твёрдых тел. САПР допускает следующие доп. операции:

построение скруглений, построение отверстий на гранях, построение рёбер жёсткости, построение фасок.

Твёрдотельная модель хранится в САПР в виде дерева построения.

Преимущество твёрдотельного моделирования:

1.Простота параметризации.

2.Возможность расчёта масс-инерционных хар-к и разбивка на сетку конечных элементов.

3.Относительная простота моделирования.

Недостаток: ограниченность конструктивных форм создаваемых моделей.

Стр-ры данных, используемые для описания объемных тел, обычно делятся на три типа в зависимости от того, какие тела ими описываются.

1 стр-ра представляет собой дерево, опис-щее историю прим-я булевских операций к примитивам. Журнал операций называется конструктивным пред­ставлением объемной геометрии (Constructive Solid Geometry CSG representation). Дерево называется деревом CSG (GSG tree).

2 стр-ра содержит сведения о границах объема (вершинах, ребрах, гранях и их соединении друг с другом). Это представление называется граничным представлением (boundary representation – В-rep), а структура данных – структурой B-rep (B-rep data structure).

Третья структура представляет объем в виде комбинации элементар­ных объемов (например, кубов). Можно придумать множество моделей разложе­ния, выбирая разные элементарные объемы, но ни одна из них не может точно описать объемное тело.

Моделирование - один из основных методов познания, который очается в выделении из сложного явления (объекта) некоторых чаcтей и нении их другими объектами, более понятными и удобными для ания, объяснения и разработки.

Модель - реальный физический объект или процесс, теоретическое х>ение, упорядоченный набор данных, которые отражают некоторые енты или свойства изучаемого объекта или явления, существенные с и зрения моделирования.

Математическая модель модель объекта, процесса пли явления. ставляющая собой математические закономерности, с помощью которых аны основные характеристики моделируемого объекта, процесса или

ния

Геометрическое моделирование раздел математического

моделирования позволяет решать разнообразные задачи в двумерном, трехмерном и. в общем случае, в многомерном пространстве.

Геометрическая модель включает в себя системы уравнений и алгоритмы их реализации. Математической основой построения модели являются уравнения, описывающие форму и движение объектов. Все многообразие геометрических объектов является комбинацией различных примитивов ■ простейших фигур, которые в свою очередь состоят из графических элементов - точек, линий и поверхностей.

В настоящее время геометрическое моделирование успешно используется в управлении и других областях человеческой деятельности. Можно выделить две основные области применения геометрического моделирования; проектирование и научные исследования.

Геометрическое моделирование может использоваться при анализе числовых данных. В таких случаях исходным числовым данным ставится в соответствие некоторая геометрическая интерпретация, которая затем анализируется, а результаты анализа истолковываются в понятиях исходных данных.

Этапы геометрического моделирования:

• постановка геометрической задачи, соответствующая исходной прикладной задаче или ее части:

• разработка геометрического алгоритма решения поставленной задачи;

• реализация алгоритма при помощи инструментальных средств:

• анализ и интерпретация полученных результатов. Методы геометрического моделирования:

• аналитический:

• графический;

• графический, с использованием средств машинной графики:

• графоаналитические методы.

Графоаналитические методы основываются на разделах вычислительно!! геометрии, таких как теория R-функций. теория поверхностей Кунса. теория кривых Безье, теория сплайнов и др.

Для современных научных исследований характерно использование, наряду с двумерными и трехмерными, многомерных геометрических моделей (физика элементарных частиц, ядерная физика и т.д.).

8. Графические языки высокого уровня.

Имеется два подхода к построению систем программирования с языками машинной геометрии и графики высокого уровня. Первый подход состоит в создании автономного языка, второй – в необходимой модификации того или иного исходного алгоритмического языка.

Первый подход позволяет создать язык, наиболее соответствующий специфике работы с графической и геометрической информацией, но только в том классе приложений, для которых предназначался язык. Исторически основная область приложений таких языков:

  • автоматизация программирования для оборудования с ЧПУ;

  • системы автоматизации проектно-конструкторских работ, требующие средств работы с данными, отсутствующих в широко распространенных алгоритмических языках;

  • системы геометрического моделирования.

Одним из первых проблемно-ориентированных языков, имеющих средства для описания геометрической информации, явился язык АРТ (AUTOMATED PROGRAMMING TOOLS). Этот язык послужил основой для разработки разнообразных систем автоматизации программирования для станков с ЧПУ.

В качестве примеров систем с автономным языком высокого уровня могут также служить системы геометрического моделирования трехмерных тел – COMPAC и СИМАК-Д.

Система COMPAC (COMPUTER ORIENTED PART CODING) предназначена для формирования описания объемных тел из объемных элементов формы – (метод конструктивной геометрии). Кроме трех базовых объемных элементов (кубы, цилиндры, конусы), могут использоваться профилированные детали, получаемые перемещением замкнутого контура вдоль прямой или дуги, а также тела вращения, получаемые вращением замкнутого контура вокруг оси. Элементы задаются, позиционируются и оразмериваются языковыми конструкциями, напоминающими АРТ. Составление детали из объемных элементов производится с помощью операций объединения, вычитания и отсечения.

Отличия СИМАК-Д от COMPAC состоят в несколько ином входном языке и ином наборе базовых элементов формы, включающем в себя точку, плоскость, прямоугольный параллелепипед, круговые цилиндры и конус.

Автономные графические языки, как всякая специализированная разработка, обладают высокой эффективностью в своей области приложений, однако разработка и использование таких языков сопряжена с рядом проблем:

  • довольно значительные затраты на создание языка и транслятора с него;

  • затраты на внедрение, на включение языка в работающую систему программирования и на обучение пользователей, которые не всегда охотно берутся за изучение еще одного языка, а предпочитают пользоваться процедурными расширениями известных им алгоритмических языков: ALGOL, FORTRAN, PL-1, PASCAL и т.д.;

  • трудности с последующим расширением языка;

  • известные в настоящее время языки машинной геометрии и графики, в отличие от процедурных расширений, как правило, не обеспечивают интерактивного режима, а предназначены для написания пассивных программ;

  • затруднено объединение в рамках одной прикладной программы графических и геометрических действий и обычных вычислений, которое легко реализуется в случае процедурных расширений.

9. Объектно-ориентированное моделирование.

Объектно-ориентированное моделирование (feature-based modeling) позволяет конструктору создавать объемные тела, используя привычные элементы форм (features). Созданное тело несет в себе информацию об этих элементах в допол­нение к информации об обычных геометрических элементах (вершинах, ребрах, гранях и др.). Например, конструктор может давать команды типа «сделать от­верстие такого-то размера в таком-то месте» или «сделать фаску такого-то раз­мера в таком-то месте», и получившаяся фигура будет содержать сведения о на­личии в конкретном месте отверстия (или фаски) конкретного размера. Набор доступных в конкретной программе элементов формы зависит от спектра приме­нения этой программы.

Большинством систем объектно-ориентированного моделирования поддержива­ются такие элементы, которые используются при изготовлении деталей: фаски, отверстия, скругления, пазы, выемки и т. д. Такие элементы называются произ­водственными, поскольку каждый из них может быть получен в результате кон­кретного процесса производства. Например, отверстие создается сверлением, а выемка – фрезерованием. Следовательно, на основании сведений о наличии, размере и расположении производственных элементов можно попытаться авто­матически сформировать план технологического процесса. Автоматическое пла­нирование технологического процесса, если оно будет разработано на практиче­ском уровне, перебросит мост между CAD и САМ, которые в настоящий момент существуют отдельно друг от друга. Таким образом, в настоящий момент лучше моделировать объекты, подобные изображенному на рис. 5.20, с использованием команд объектно-ориентированного моделирования «Выемка» и «Отверстие», а не просто булевских операций. Модель, созданная при помощи таких команд, облегчит планирование технологического процесса, если не сделает его полно­стью автоматическим. Использование производственных элементов в моделиро­вании иллюстрирует рис. 5.21.

Один из недостатков объектно-ориентированного моделирования заключается в том, что система не может предоставить все элементы, нужные для всех возмож­ных приложений. Для каждой задачи может потребоваться свой набор элементов. Чтобы исключить этот недостаток, большинство систем объектно-ориентирован­ного моделирования поддерживают какой-либо язык, на котором пользователь при необходимости может определять свои собственные элементы. После опре­деления элемента необходимо задать параметры, указывающие его размер. Эле­менты, как и примитивы, могут быть разного размера, а задаются размеры пара­метрами в момент создания элемента. Создание элементов разного размера путем присваивания различных значений соответствующим параметрам является раз­новидностью параметрического моделирования.

Дисциплина «Лингвистическое и программное обеспечение САПР» (Беспалов В.А.)

  1. Понятие автоматизации проектирования и его лингвистического обеспечения

  2. Базовое и управляющее лингвистическое обеспечение.

  3. Организация диалога в САПР, средства обеспечения диалогового режима.

  4. Принципы организации трансляторов.

  5. Обобщенная структура компилятора.

  6. Синтаксический анализатор.

  7. Языки проектирования и программирования.

  8. Основы теории языков и формальных грамматик.

  9. Способы записи синтаксиса языка. Организация лексического анализа.

  10.  Принципы работы лексических и синтаксических анализаторов.

 

  1. Понятие автоматизации проектирования и его лингвистического обеспечения.

Автоматизация проектирования характеризует любую деятельность в рамках которой ЭВМ находит применение для выполнения трудоемких расчетов, организации поиска и хранения информации, геометрического моделирования и графического отображения результатов, а так же редактирования документации с целью разработки анализа и видоизменения изделий и процессов. Автоматизация проектирования реализуется с помощью САПР.

ЛО САПР – совокупность языков, терминов, определений, необходимых для выполнения автоматизированного проект-я. ЛО имеет место наряду с : техническим, математическим, информационным, программным, методическим и организационным обеспечением САПР. Основу ЛО САПР составляют спец. языковые средства (языки проектирования), предназначенных для описания процедур автоматизир. пр-я и проектных решений. Обычно они наз-ся проблемно-ориентированными языками (ПОЯ). 2 вида построения ПОЯ:

1. Описание любой задачи путем применения терминов физического и функционального содержания. Переход к программам реализуется с помощью транслятора.

2. ПОЯ соединяет в себе средства алгоритмического языка со специальными языковыми средствами моделирования геометрических объектов.

ПОЯ представляет из себя комплексы лингвистических и программных средств, кот. должны включать след. элементы:

  • набор терминальных символов ПОЯ

  • интерпретатор ПОЯ

  • средства синтаксического анализа

  • средства пакетирования директив

  • библиотеки базовых функций ПОЯ

интерфейс для связи с СУБД

Интерпритатор-программа или устройство, осуществляющее пооператорную трансляцию и выполнение исходной программы.

Макропроцессор- программа, обеспечивающая замену одной последовательности символов другой.

  1. Базовое и управляющее лингвистическое обеспечение.

Лингвистическое обеспечение хорошо развитых САПР можно разделить на две относительно обособленные части – базовую и управляющую, связь между которыми осуществляется при помощи специализированных языковых процессоров-компиляторов, интерпретаторов и т. п.

Базовое лингвистическое обеспечение является языковой основой программного обеспечения САПР и состоит в основном из действующих языков программирования, с помощью которых в комплексе средств САПР, реализуются вычислительные и моделирующие процедуры обобщенного алгоритма проектирования, а также обеспечивается решение сервисных задач.

Управляющее лингвистическое обеспечение состоит из специализированных проблемно-ориентированных языков, которые описывают обобщенный алгоритм проектирования в терминах проектных операций, процедур и задач. В этих языках формируются словарь, синтаксис и семантика, существенно связанные с конкретной предметной областью проектирования. Создание и применение проблемно-ориентированных языков позволяет организовать высокоэффективный и эргономичный процесс управления автоматизированным проектированием. В частности, появляется возможность для осуществления диалогового взаимодействия проектировщика и комплекса технических средств САПР, приближенного к естественному речевому запрос-ответному режиму проектирования.

Как правило, запросы обобщенного алгоритма проектирования, даже на уровне проектных операций с их промежуточными результатами, требуют комплексного осуществления разнообразных вычислительных и моделирующих процедур, т. е. системного приведения в действие целого ряда элементов и фрагментов базового лингвистического и программного обеспечения САПР. Таким образом, языкам управляющей части лингвистического обеспечения должна соответствовать определенная система агрегирования элементов базового обеспечения. Только при согласовании словарных составов и грамматик управляющих и базовых языков возможна исполнение в системе проблемно-ориентированных заданий.

  1. Организация диалога в САПР, средства обеспечения диалогового режима.

Если задачи тех или иных фрагментов обобщенного алгоритма проектирования не поддаются полной формализации, то используются языки диалогового режима (или диалоговые языки). Они относятся к числу основных в САПР, позволяя проектировщику принимать и сообщать системе решения по отработке неформализуемых участков алгоритма проектирования. Состав языковых средств диалогового взаимодействия существенно зависит от принятой стратегии распределения функций управления проектированием между человеком и комплексом средств САПР.

В зависимости от распределения этих функций различают три основных вида человеко-машинного общения.

«Ведущая – ЭВМ». Здесь система посредством специальных сообщений запрашивает необходимые описания объекта проектирования, либо указывает возможные пути решения задачи и требует от проектировщика конкретизации задания. Эти сообщения оформляются на естественном языке пользователя с соблюдением требования. Кроме того, запросы формулируются таким образом, что ожидаемые ответы проектировщика, как правило, являются немногословными и строятся с соблюдением простых синтаксических правил.

«Ведущий – проектировщик». Здесь пользователь на специальном языке задает для ЭВМ последовательность операций и процедур обработки указываемой информации. Этот вид общения требует от проектировщика четкого знания алгоритма проектирования и возможностей используемого комплекса САПР.

«Равные партнеры». Здесь реализуется двухстороннее управление алгоритмом проектирования, в котором, в зависимости от ситуации, принятие решений о дальнейшем ходе проектирования осуществляет либо человек, либо ЭВМ. Этот вид общения является наиболее эффективным с точки зрения достижения целей диалогового проектирования.

Диалоговые языки, ориентированные на взаимодействие по принципу «Ведущая – ЭВМ», наибольшее распространение получили в так называемых запрос-ответных языках. В зависимости от формы запроса различают языки «Выбор из меню» и «Заполни пустые места».

При использовании языка «Выбор из меню» проектировщику предлагается по шагам алгоритма проектирования список альтернативных данных или операций, на котором он принимает решение.

Инициатором диалога при использовании запрос-ответных языков является ЭВМ. Это накладывает определенные ограничения на их применение в САПР. Во-первых, развитие процесса проектирования осуществляется только по заложенному в системе сценарию диалога. Во-вторых, ввод информации проектировщика происходит лишь в тот момент, когда этого требует автоматизированная система. Наряду с этим запрос-ответные языки имеют и важные преимущества, обеспечивающие их широкое распространение: простота и наглядность взаимодействия, отсутствие необходимости в предварительной подготовке проектировщика для ведения диалога. Поэтому, если в процессе проектирования нет необходимости в изменении структуры проектной процедуры, такие языки являются наиболее подходящими.

Более широкими возможностями организации диалога обладают директивные языки, реализующие взаимодействие по принципу «Ведущий – проектировщик». Основной синтаксической единицей этих языков является директива, которая представляет собою управляющее предложение фиксированной структуры. Каждая директива позволяет задать определенное действие по управлению процессом проектирования. В состав директивы, как правило, входят название действия, которое должна выполнить автоматизированная система, а также параметры, устанавливающие определенный режим выполнения этого действия. Параметры директивы могут быть позиционными и ключевыми. Позиционные параметры характеризуются их позицией в синтаксической структуре директивы и должны перечисляться в определенном порядке. Каждый ключевой параметр характеризуется своим наименованием.

4. Принципы организации трансляторов

Наряду с традиционным процедурным программированием, называемым также императивным, существуют такие парадигмы как функциональное программирование, логическое программирование и объектно-ориентированное программирование. Структура понятий и объектов языков сильно зависит от избранной парадигмы, что также влияет на реализацию транслятора.

Транслятор - обслуживающая программа, преобразующая исходную программу, предоставленную на входном языке программирования, в рабочую программу, представленную на объектном языке.
    Даже один и тот же язык может быть реализован нескольким способами. Это связано с тем, что теория формальных грамматик допускает различные методы разбора одних и тех же предложений. В соответствии с этим трансляторы разными способами могут получать один и тот же результат (объектную программу) по первоначальному исходному тексту.
Вместе с тем, все языки программирования обладают рядом общих характеристик и параметров. Эта общность определяет и схожие для всех языков принципы организации трансляторов.

  1. Языки программирования предназначены для облегчения программирования. Поэтому их операторы и структуры данных более мощные, чем в машинных языках.

  2. Для повышения наглядности программ вместо числовых кодов используются символические или графические представления конструкций языка, более удобные для их восприятия человеком.

  3. Для любого языка определяется:

    • Множество символов, которые можно использовать для записи правильных программ (алфавит), основные элементы.

    • Множество правильных программ (синтаксис).

    • "Смысл" каждой правильной программы (семантика).

    Независимо от специфики языка любой транслятор можно считать функциональным преобразователем F, обеспечивающим однозначное отображение X в Y, где X - программа на исходном языке, Y - программа на выходном языке. Поэтому сам процесс трансляции формально можно представить достаточно просто и понятно:

Y = F(X)

    Формально каждая правильная программа X - это цепочка символов из некоторого алфавита A, преобразуемая в соответствующую ей цепочку Y, составленную из символов алфавита B.

Варианты взаимодействия блоков транслятора («Лексический анализатор» – «Синтаксический анализатор» – «Генератор кода»):

  • многопроходная организация – каждая из фаз является независимым процессом, передающей управление следующей фазе только после полного окончания обработки своих данных.

Достоинства:

  1. обособленность отдельных фаз позволяет обеспечить их независимую друг от друга реализацию и использование

  2. возможность хранения полученных данных на внешних носителях

  3. возможность уменьшения объема опер. Памяти

Недостатки:

  1. наличие больших объемов промежуточной информации

  2. замедление скорости трансляции из-за последовательного выполнения фаз

  • однопроходная – все фазы представляют единый процесс, передают информацию друг другу небольшими фрагментами.

Достоинства:

  1. отсутствие больших объемов промежуточных данных

  2. высокая скорость обработки из-за совмещения фаз в едином процессе

  3. отсутствие обращений к внешним запоминающим устройствам

Недостатки:

  1. невозможность реализации такой схемы для сложных языков

  2. отсутствие промежуточных данных, которые можно использовать для комплексного анализа и оптимизации

5. Обобщенная структура компилятора

Компилятор - это обслуживающая программа, выполняющая трансляцию на машинный язык программы, записанной на исходном языке программирования. Как и ассемблер, компилятор обеспечивает преобразование программы с одного языка на другой (чаще всего, в язык конкретного компьютера).

Обобщенная структура компилятора

Компоненты:

  • ЛА - лексический анализатор

  • СА - синтаксический анализатор

  • ГК-генератор кода

Взаимодействие между компонентами компилятора м.осуществляться разными способами:

1. Трехпроходный компилятор (программа считывается трижды).

ИП - исходная программа; ОК – объектный код; ВП - внутреннее представление программы.

ЛА считывает ИП и представляет ее в виде файлов лексем. СА читает этот файл и выдает ВП. Этот файл считывает ГК и создает ОК программы.

«+» высокая гибкость засчет независимости каждой фазы трансляции.

2. Однопроходный компилятор.

СА выступает в роли управляющей программы, вызывая ЛА и ГК, которые организованы в виде подпрограмм. СА постоянно обращается к ЛА, получая от него лексему за лексемой до тех пор, пока не получит новый элемент ВП, после чего обращается к ГК, который создает ОК этого фрагмента программы. «+» - высокая скорость компилирования (исходная программа читается 1 раз)

3. Двухпроходный компилятор (занимает промежуточное положение между (1) и (2)).

СА вызывает ЛА, получает лексему за лексемой, строит файл во ВП, а ГК читает этот файл и создает ОК.

6. Синтаксический анализатор

Синтаксический анализатор - компонента компилятора, осуществляющая проверку исходных операторов на соответствие синтаксическим правилам и семантике данного языка программирования. Несмотря на название, анализатор занимается проверкой и синтаксиса, и семантики. Он состоит из нескольких блоков, каждый из которых решает свои задачи. Более подробно будет рассмотрен при описании структуры транслятора.

Обобщенная структура синтаксического анализатора

Синтаксический анализатор осуществляет разбор исходной программы, используя поступающие лексемы, построение синтаксической структуры программы и семантический анализ с формированием объектной модели языка. Объектная модель представляет синтаксическую структуру, дополненную семантическими связями между существующими понятиями. Этими связями могут быть:

  • ссылки на переменные, типы данных и имена процедур, размещаемые в таблицах имен;

  • связи, определяющие последовательность выполнения команд;

  • связи, определяющие вложенность элементов объектной модели языка и другие.

Таким образом, синтаксический анализатор является достаточно сложным блоком транслятора. Поэтому его можно разбить на следующие составляющие:

  • распознаватель;

  • блок семантического анализа;

  • объектную модель, или промежуточное представление, состоящие из таблицы имен и синтаксической структуры.

Распознаватель получает цепочку лексем и на ее основе осуществляет разбор в соответствии с используемыми правилами. Лексемы, при успешном разборе правил, передаются семантическому анализатору, который строит таблицу имен и фиксирует фрагменты синтаксической структуры. Кроме этого, между таблицей имен и синтаксической структурой фиксируются дополнительные семантические связи. В результате формируется объектная модель программы, освобожденная от привязки к синтаксису языка программирования. Достаточно часто вместо синтаксической структуры, полностью копирующей иерархию объектов языка, создается ее упрощенный аналог, который называется промежуточным представлением.

Анализатор ошибок получает информацию об ошибках, возникающих в различных блоках транслятора. Используя полученную информацию, он формирует сообщения пользователю. Кроме этого, данный блок может попытаться исправить ошибку, чтобы продолжить разбор дальше. На него также возлагаются действия, связанные с корректным завершением программы в случае, когда дальнейшую трансляцию продолжать невозможно.

Генератор кода строит код объектной машины на основе анализа объектной модели или промежуточного представления. Построение кода сопровождается дополнительным семантическим анализом, связанным с необходимостью преобразования обобщенных команд в коды конкретной вычислительной машины. На этапе такого анализа окончательно определяется возможность преобразования, и выбираются эффективные варианты. Сама генерация кода является перекодировкой одних команд в другие.

7. Языки проектирования и программирования

Лингвистическое обеспечение образуется следующими языками:

· программирования;

· управления;

· проектирования.

Языки программирования необходимы для создания программного

обеспечения при разработке САПР. К таким языкам относятся, например, Фортран, Си, Паскаль, AutoLISP, язык программирования СУБД FoxPro и др.

Языки управления служат для управления ЭВМ, периферийными уст-

ройствами.

Языки проектирования ориентированы на пользователей-проектировщиков и предназначены для эксплуатации САПР. Эта группа языков условно делится на входные, внутренние и выходные. Входные языки являются средством взаимодействия конечного пользователя с САПР, например, в ходе подготовки исходных данных или формулировки проблемы. Внутренние языки обычно скрыты от рядового пользователя и служат для представления информации, передаваемой между различными подсистемами САПР и ЭВМ. Выходные языки обеспечивают оформление результатов проектирования в текстовом или графическом виде.

8. Основы теории языков и формальных грамматик.

Одной из важнейших задач при создании ПО САПР – это выбор языков взаимодействия и форм общения проектировщика с ЭВМ. Языки взаимодействия являются особыми языками, специально ориентированными на нужды проектировщика. Существуют следующие типы языков взаимодействия:

  1. Естественный язык (ЕЯ). Недостатки: трудности автоматического анализа сообщений пользователя и избыточность.

  2. Ограниченный ЕЯ. Проектировщик обязан знать синтаксис и семантику языка.

  3. Командный язык – набор команд для выполнения различных процедур.

  4. Меню и шаблоны. Недостаток: организация взаимодействия с использованием меню и шаблонов не достаточно гибкая, поэтому этот тип общения объединяется с командным.

Функциональное назначение языков, используемых в САПР:

  1. Входные языки – для описания проектируемых объектов и управления процедурами проектирования.

  2. Выходные – ориентированы на вывод получаемых в результате проектирования решений в виде необходимой проектной документации.

  3. Базовые – языки, на которых осущ. программирование основных процедур проектирования (Си, Бейсик, Паскаль и т.д.)

Основы теории языков и формальных грамматик.

Существуют два основных способа определения языков:
- механизм порождения (генератор)

- механизм распознаватель

Механизм порождения позволяет описать языки с помощью системы правил. Цепочки языка строятся в соответствии с этими правилами. Достоинство: операции, производимые в ходе синтаксического анализа и перевода можно упростить, если воспользоваться структурой, предписанной грамматикой.

Механизм распознавания использует алгоритм, кот. для произвольной и входной цепочки за конечное число шагов ответит «да», если цепочка принадлежит языку, и «нет» - иначе. Распознаватели используются при построении анализаторов и строятся на основе теории конечных автоматов и автоматов с магазинной памятью.

Формальные грамматики (ФГ) являются математическим аппаратом, который исследует свойства цепочек символов, порожденных заданным набором правил.

Грамматикой называется четверка

G = (N, T, P, S), где

N - конечное множество нетерминальных символов (нетерминалов),

T - множество терминалов (не пересекающихся с N),

S - символ из N, называемый начальным,

Р - конечное подмножество множества:

(N T)* N (N T)* x (N T)*,

называемое множеством правил. Множество правил Р описывает процесс порождения цепочек языка. Элемент pi = (, ) множества Р называется правилом (продукцией) и записывается в виде . Здесь и - цепочки, состоящие из терминалов и нетерминалов. Данная запись может читаться одним из следующих способов:

  • цепочка порождает цепочку ;

  • из цепочки выводится цепочка.

Грамматики по ограничениям, накладываемым на правила, образуют несколько классов:

1) Право-линейная: Если каждое правило из Р имеет вид АРхВ или АРх, где А и В не терминалы, а х- цепочка состоящая из терминалов.

2) Контекстно-свободная (без контекстная) грамматика: Если каждое правило из Р имеет вид АЄN; αЄ(NT)*. Где α – цепочка состоящая из множества не терминалов, возможно пустая.

3) Контекстно-зависимой или не укорачиваемой если каждое правило из Р имеет вид αРВ; |α|=|β|; т.е. не могут быть короче чем исходные, а значит и пустыми.

4) грамматики свободного вида если в ней отсутствует выше упомянутые ограничения.

Язык, предназначенный для описания другого языка, называется метаязыком.

9. Способы записи синтаксиса языка. Организация лексического анализа.

Существуют различные способы записи синтаксических правил, что в основном определяется условными обозначениям и ограничениями на структуру правил, принятыми в используемых метаязыках. Метаязыки используются для задания грамматики языков программирования.

Метаязык Хомского

  • символ “” отделяет левую часть правила от правой (читается как "порождает" и "это есть");

  • нетерминалы обозначаются буквой А с индексом, указывающим на его номер;

  • терминалы - это символы используемые в описываемом языке;

  • каждое правило определяет порождение одной новой цепочки, причем один и тот же нетерминал может встречаться в нескольких правилах слева.

Метаязык Хомского-Щутценберже

Приведенный в предыдущем разделе пример описания идентификатора показывает громоздкость метаязыка Хомского, что позволяет эффективно использовать его только для описания небольших абстрактных языков. Более компактное описание возможно с применением метаязыка Хомского-Щутценберже, использующего следующие обозначения метасимволов.

Каждое правило определяет порождение нескольких альтернативных цепочек, отделенных друг от друга знаком + (А1=А+В+С+…x+y+z)

Бэкуса-Наура формы (БНФ)

Метаязыки Хомского и Хомского-Щутценберже использовались в математической литературе при описании простых абстрактных языков. Метаязык, предложенный Бэкусом и Науром, впервые использовался для описания синтаксиса реального языка программирования Алгол 60. Наряду с новыми обозначениями метасимволов, в нем использовались содержательные обозначения нетерминалов. Это сделало описание языка нагляднее и позволило в дальнейшем широко использовать данную нотацию для описания реальных языков программирования.


::= отделяет левую часть от правой, <> нетерминалы, | разделяются альтернативные цепочки.(<буква>::=А|B|C|…|x|y|z)/

Расширенные Бэкуса-Наура формы (РБНФ)

Метаязыки, представленные выше, позволяют описывать любой синтаксис. Однако, для повышения удобства и компактности описания, целесообразно вести в язык дополнительные конструкции. В частности, специальные метасимволы были разработаны для описания необязательных цепочек, повторяющихся цепочек, обязательных альтернативных цепочек. Существуют различные расширенные формы метаязыков, незначительно отличающиеся друг от друга. Их разнообразие зачастую объясняется желанием разработчиков языков программирования по-своему описать создаваемый язык. К примерам таких широко известных метаязыков можно отнести: метаязык PL/I, метаязык Вирта, используемый при описании Модулы-2, метаязык Кернигана-Ритчи, описывающий Си. Зачастую такие языки называются расширенными формами Бэкуса-Наура (РБНФ).

[ ] заключенная в такие скобки синтакс. конструкция может отсутствовать, { } повторение синт. конструкции 0 и более раз, ( ) ограничение альтернативных конструкций, {| |} повторение 1 и более раз, $ синтаксическое правило, каждое правило заканчивается точкой, = раздел. Правой и левой частей, | альтернатива. Пример: $буква=”A”|”B”|”C”|…|”z”.

Диаграммы Вирта

Наряду с текстовыми способами описания синтаксиса языков широко используются и графические метаязыки, среди которых наиболее широкую известность получил язык диаграмм Вирта, впервые примененный для описания языка Паскаль. Метасимволы заменены следующими графическими обозначениями (рис. 2.1):

Диаграммы Вирта позволяют задавать альтернативы, рекурсии, итерации и по изобразительной мощности эквивалентны РБНФ. Но графическое отображение правил более наглядно. Кроме этого допускается произвольное проведение дуг, что уменьшает количество элементов в правиле.

Организация лексического анализа.

Лексический анализ – первая фаза процесса трансляции, предназначенная для группировки символов входной цепочки в более крупные конструкции, называемые лексемами. Каждая лексема характеризуется двумя понятиями:

  1. Класс лексемы – категория эл-тов, облад. общими свойствами (идентификатор, целое число, строка символов и тд)

  2. Значение лексемы – подстрока символов входной цепочки, соответствующих распознанному классу лексемы. В зависимости от класса значение лексемы может быть преобразовано во внутреннее представление уже на стадии лексического анализа.

Несмотря на то, что ЛА обрабатывает входную цепочку, на его вход удобнее подавать символы, сгруппированные по категориям – буква, цифра, разделитель, игнорируемые, запрещенные и прочие. Поэтому перед ЛА осущ. транслитерация.

10. Принципы работы лексических и синтаксических анализаторов

Методы лексического анализа.

Выделяются методы непрямого и прямого лексического анализа.

Непрямой лексический анализ, или лексический анализ с возвратами, заключается в последовательной проверке версий о классах лексем. Если проверка текущей версии не подтверждается, то происходит откат назад по цепочке символов и осуществляется проверка следующей версии.

Прямой лексический анализ позволяет определить значение лексемы без откатов назад по цепочке символов.

Непрямой лексический анализатор состоит из отдельных автоматов, каждый из которых распознает одну заданную лексему. Все автоматы имеют одинаковую структуру и отличаются только внутренними состояниями, что связано с различием распознаваемых лексем. Общая структура непрямого лексического анализатора приведена на рис

Он имеет входную головку, читающую символы с входной ленты. Символы анализируются блоком управления входной головкой и передаются активному автомату. Затем входная головка смещается на один символ вправо. Автоматы связаны между собой в последовательную цепь, что определяет порядок передачи управления между ними в случае, если активный автомат отвергает входную цепочку символов, то есть, не может распознать предписанную ему лексему. Последовательность автоматов в цепи определяется возможным предпочтительным анализом одних лексем перед другими. Наличие приоритета связано с тем, что некоторые лексемы имеют сходные начальные подцепочки и одна из лексем может включать другую. Например, действительное число может начинаться с цепочки цифр. С нее же может начинаться и целое число. Поэтому, в начале необходимо провести проверку на действительное число, а затем, если версия не подтвердится, попытаться распознать целое число.

Анализ очередной лексемы начинается с запуска автомата, расположенного первым. Он читает первый символ ai обрабатываемой подцепочки. Далее идет распознавание лексемы, в результате чего читаются n символов. Текущим символом становится ai+n. Если версия о лексеме подтверждается, то сканер выдает ее и завершает работу. Его последующий запуск начинается с чтения символа ai+n, который вновь передается первому автомату. Если же автомат не может распознать лексему, то он выдает сигнал отказа, в блок управления входной головкой и активизирует следующий по приоритету автомат. Блок управления осуществляет возврат входной головки к символу ai и передает его новому активному автомату. Процесс возврата входной головки осуществляется до тех пор, пока лексема не будет распознана. Если не один из автоматов не распознает лексему, то управление передается обработчику ошибки. Тот выдает лексему "ошибка" и осуществляет ее нейтрализацию.

К достоинствам непрямого лексического анализатора следует отнести:

  • прозрачность общей регулярной структуры, которая легко может изменяться и наращиваться;

  • простота каждого отдельно автомата, распознающего одну, достаточно элементарную, конструкцию;

  • практическая применимость подхода в самых разнообразных языках, независимо от сложности выделения в нем тех или иных лексем.

К недостаткам непрямого лексического анализатора следует отнести низкую скорость распознавания. Это связано с постоянными возвратами входной головки к исходному состоянию, если версия о лексеме не подтверждается.

  1. Прямой ЛА позволяет определять значение лексемы без отката назад

Прямой лексический анализатор строится на основе одного детерминированного автомата, объединяющего множество автоматов, распознающих отдельные лексемы. Такой автомат на каждом шаге читает один входной символ и переходит в следующее состояние, приближающее его к распознаванию текущей лексемы или формированию ошибки. Для лексем, имеющих одинаковые подцепочки, автомат имеет общие фрагменты, реализующие единое множество состояний. Отличающиеся части реализуются своими фрагментами. Обобщенная структура прямого лексического анализатора приведена на рис.

Он содержит входную головку, которая передает текущий входной символ в первое состояние одного из начальных блоков, реализующего фрагмент детерминированного автомата. Каждое из таких состояний распознает множество входных символов, не пересекающихся с множеством входных символов других состояний. Разбиение автомата на фрагменты проводится на основе выделения состояний, специализирующихся на распознавании общих или частных подцепочек отдельных лексем. В самом общем случае прямой лексический анализатор может рассматриваться как единый неструктурированный блок. Поэтому его дробление на отдельные блоки достаточно условно. Очередной символ читается обычно каждым состоянием автомата. В каждом фрагменте условно можно выделить начальное состояние, с которого начинается разбор подцепочки, закрепленной за фрагментом. Если символ не входит в группу, распознаваемых начальным состоянием фрагмента, то происходит отказ и передача управления начальному состоянию следующего альтернативного фрагмента, анализирующего другую группу входных символов. Если входной символ не может быть распознан другими состояниями фрагмента, то обработка отказа передается обработчику ошибок, который формирует ошибочную лексему и нейтрализует ошибку принятым способом. Передача управления обработчику ошибок осуществляется и в том случае, если все начальные состояния связанных между собой фрагментов формируют отказ. Разбор заканчивается выдачей распознанной или ошибочной лексемы.

К достоинствам прямого лексического анализатора относятся:

1) высокая производительность за счет отсутствия возвратов входной головки;

2) меньшее общее число состояний, что получается за счет слияния одинаковых; 3) фрагментов отдельных автоматов и проведения дополнительной минимизации.

К недостаткам следует отнести:

1) на разработку прямого лексического анализатора требуется больше времени;

2) данный анализатор практически невозможно реализовать для некоторых языков

3) программирования. Примером такого языка может служить FORTRAN-4.

Синтаксический анализатор - компонента компилятора, осуществляющая проверку исходных операторов на соответствие синтаксическим правилам и семантике данного языка программирования. Несмотря на название, анализатор занимается проверкой и синтаксиса, и семантики. Он состоит из нескольких блоков, каждый из которых решает свои задачи.

Обобщенная структура синтаксического анализатора

Синтаксический анализатор осуществляет разбор исходной программы, используя поступающие лексемы, построение синтаксической структуры программы и семантический анализ с формированием объектной модели языка. Объектная модель представляет синтаксическую структуру, дополненную семантическими связями между существующими понятиями. Этими связями могут быть:

  • ссылки на переменные, типы данных и имена процедур, размещаемые в таблицах имен;

  • связи, определяющие последовательность выполнения команд;

  • связи, определяющие вложенность элементов объектной модели языка и другие.

Таким образом, синтаксический анализатор является достаточно сложным блоком транслятора. Поэтому его можно разбить на следующие составляющие:

  • распознаватель;

  • блок семантического анализа;

  • объектную модель, или промежуточное представление, состоящие из таблицы имен и синтаксической структуры.

Распознаватель получает цепочку лексем и на ее основе осуществляет разбор в соответствии с используемыми правилами. Лексемы, при успешном разборе правил, передаются семантическому анализатору, который строит таблицу имен и фиксирует фрагменты синтаксической структуры. Кроме этого, между таблицей имен и синтаксической структурой фиксируются дополнительные семантические связи. В результате формируется объектная модель программы, освобожденная от привязки к синтаксису языка программирования. Достаточно часто вместо синтаксической структуры, полностью копирующей иерархию объектов языка, создается ее упрощенный аналог, который называется промежуточным представлением.

Анализатор ошибок получает информацию об ошибках, возникающих в различных блоках транслятора. Используя полученную информацию, он формирует сообщения пользователю. Кроме этого, данный блок может попытаться исправить ошибку, чтобы продолжить разбор дальше. На него также возлагаются действия, связанные с корректным завершением программы в случае, когда дальнейшую трансляцию продолжать невозможно.

Генератор кода строит код объектной машины на основе анализа объектной модели или промежуточного представления. Построение кода сопровождается дополнительным семантическим анализом, связанным с необходимостью преобразования обобщенных команд в коды конкретной вычислительной машины. На этапе такого анализа окончательно определяется возможность преобразования, и выбираются эффективные варианты. Сама генерация кода является перекодировкой одних команд в другие.

Дисциплина «Промышленная логистика» (Тищенко А.А.)

  1. Понятие материального и информационного потоков в логистике

  2. Задачи, функции промышленной логистики

  3. Толкающая и тянущая системы управления

  4.  Понятие корпоративной информационной системы

  5. Понятие и организация автоматизированного рабочего места

  6. Основы календарного планирования

1. Понятие материального и информационного потоков в логистике

Логистика- комплексное направление в науке , охватывающее проблему управления материальными потоками и соотфетствующими им информационными потоками.

Материальные потоки могут быть:

  • внешними - проток протекает во внешней для предприятия среде, но имеет какое-либо отношение к данному предприятию;

  • внутренними - образуются в результате выполнения какой-либо операции внутри предприятия;

  • входными - поступают из внешней среды;

  • выходные - поступают из предприятия во внешнюю среду.

Информационный поток - совокупность циркулирующих в логистической системе, между логистической системой и внешней средой сообщений, необходимых для управления и контроля логистических операций. Информационный поток соответствует материальному и может существовать в бумажной и электронной формах.

Выделяют следующие информационные потоки:

  • по направлению движения: горизонтальный и вертикальный;

  • по отношению к системе: внутренний, внешний, связующий (входной и выходной).

  • по времени функционирования: стационарные, периодические (с жесткими ограничениями времени передачи), оперативные (обеспечивающие связь абонентов в диалоговом режиме);

  • в зависимости от назначения: директивные, нормативно-справочные, отчетные, вспомогательные.

Информационный поток характеризуется следующими показателями:

  • источник;

  • направление движения;

  • скорость передачи и приема;

  • интенсивность.

Соответственно управлять потоком можно:

  • изменяя направление потока;

  • ограничивая скорость передачи до соответствующей скорости приема;

  • лимитируя объем потока до величины пропускной способности отдельного узла или участка пути.

В практике хозяйственной деятельности информационный поток может измеряться:

  • количеством обрабатываемых и передаваемых документов;

  • суммарным количеством документострок.

2. Задачи, функции промышленной логистики

Промышленная логистика - научная дисциплина, которая изучает экономически эффективные методы, способы и средства комплексного планирования, реализации, организации, управления, координации и контроля движения и преобразования материальных потоков, а так же всех видов сопутствующих им информационных и дененежных потоков, которые существуют на всех взаимосвязанных операциях материально-технического обеспечения промышленных предприятий, операциях производства требуемой продукции и опрерациях распределения готовой продукциитребуемым покупателям в требуемое время и по требуемой цене.

Многие задачи промышленной логистики являются неформализованными задачами (НФЗ), кторые имеют смысловое или семантическое решение.

Рациональное решение для НФЗ принимается в результате интегральной творческой деятельности человека, который требует, прежде всего, переработки огромного количества смысловой информации и не связана с проведением каких- либо вычислений с данными.

Для поиска решений таких задач используют новые информационные технологии, базирующиеся на теории искусственного интеллекта и теории экспертных систем.

Выделяют семь правил логистики:

  • продукт должен быть нужен потребителю;

  • продукт должен быть соответствующего качества;

  • продукт должен бытьдоставлен в нужное место;

  • продукт должен быть доствален в нужное время;

  • продукт должен быть доставлен с минимальными затратами;

  • продукт должен быть доставлен конкретному пользователю.

Логистическая функция - это укрупненная группа логистических операций, направленных на реализацию целей логистической системы.

Выделяют базисные, ключевые и поддерживающие функции. Базисные – это функции, осуществляемые любым товаропроизводителем. К ним относятся: снабжение, производство, сбыт.

3. Толкающая и тянущая системы управления

Исторически выделяют две основные системы управления потоками:

  1. «Толкающая» система - предметы труда, поступающие на производственный участок, им не заказаны, а поступают согласно команде из центральной системы управления производством.

- материальный поток

- информационный поток

«Толкающие» системы способны увязать сложный производственный процесс в единое целое. Однако их возможности определяются количеством факторов, влияющих на производственную ситуацию. Чем их больше, тем совершеннее должна быть система управления. «Толкающие» системы характеризуются высоким уровнем автоматизации управления, позволяющим:

- обеспечивать текущее регулирование и контроль производственных запасов;

- в реальном масштабе времени согласовывать и оперативно корректировать планы и действия различных служб предприятия;

- составлять прогнозы.

  1. «Тянущая» система – система организации производства, где предметы труда подаются на последующую технологическую операцию с предыдущей по мере необходимости. Здесь центральная система управления не вмешивается в обмен материальными потоками между различными участками предприятия, а ставит задачу лишь перед конечным звеном технологической цепи.

- материальный поток

- информационный поток

Характерные черты «тянущей» и «толкающей» систем даны в табл. 3.1.

К «тянущим» производственным системам относится система «Канбан», позволяющая значительно снизить производственные запасы. Перемещение деталей (изделий) по системе «Канбан» запрещается без сопроводительной карточки.

Необходимые условия для внедрения системы «Канбан»: сбалансированность производства; сокращение времени переналадки оборудования; автономный контроль качества продукции на рабочих местах.

Элементы процесса производства

Системы

«тянущая»

«толкающая»

Производствен­ные партии

Малые

Крупные

Наличие складирования

Складирование убыточно

Складирование увеличивает гибкость

Направление планирования

От последней стадии

От первой стадии

Информационные расходы

Низкие

Высокие

Пополнение запасов

Частое

Редкое

Оперативный контроль

Децентрализован

Централизован


4. Понятие корпоративной информационной системы

Корпоративная информационная система (КИС, EIS - Executive Information System) – это стратегическая ИС представляющая собой совокупность технических и программных средств, реализующих идеи и методы автоматизации всех функций управления предприятием. Такая ИС является многопользовательской, функционирует в распределенной вычислительной сети. И хотя понятие корпоративности подразумевает наличие довольно крупной, территориально-распределенной информационной системы, все же вполне правомерно присовокупить сюда системы любых предприятий, вне зависимости от их масштаба и формы собственности.

Корпоративные ИС предназначены для обеспечения большинства бизнес-процессов (желательно всех) всего предприятия (нескольких предприятий), сбора и анализа информации о предприятии и внешней среде с целью решения задач управления предприятием как по вертикали (от первичной информации до поддержки принятия решений высшим руководством), так и по горизонтали (все направления деятельности и технологические операции). Для таких систем характерно высокое быстродействие и чрезвычайная простота в использовании, однако, функциональность подобных систем с точки зрения анализа обычно крайне ограничена.

В настоящее время на российском рынке наиболее ощутимо представлены следующие продукты тиражируемого ПО КИС [2, 3]: из продуктов зарубежных компаний - SAP R/3 (компания SAP), BAAN IV (компания Ваап -подразделение Invensys), Oracle E-Business Suite (компания Oracle), Navision Axapta, Navision Attain (компания Navision), J.D. Edwards (компания J.D. Edwards), SyteLine Suite (компания Frontstep), MFG/PRO (компания QAD), Scala (компания Scala), SunSystems (компания Systems Union), Platinum SQL (компания Epicor Software); из продуктов российских компаний — Галактика (компания Галактика), БОСС-Корпорация (компания АйТи), Парус (компания Парус), NS2000 (компания Никос-Софт), Эталон (компания Цефей).

Стандарты КИС

  • MRP (Material Requirement Planning) – планирование потребностей в материалах и ресурсах

  • MRP II (Manufacturing Resource Planning) – планирование производственных ресурсов

  • ERP (Enterprise Resource Planning) – система планирования ресурсов организации

  • CSRP (Customer Synchronized Resource Planning) – планирование ресурсов организации, синхронизированное на потребителя

  • ERP II (Enterprise Resource and Relationship Processing) – управление внутренними ресурсами и внешними связями организации

Функции КИС стандарта MRP II: планирование продаж и производства, управление спросом

  • Составление плана производства, планирование потребностей в материалах, спецификация продуктов, управление складом, плановые поставки, управление на уровне производственного цеха, планирование производственных мощностей, контроль входа/выхода, материально-техническое снабжение, планирование распределения ресурсов и др.

5. Понятие и организация автоматизированного рабочего места

Автоматизированное рабочее место - комплекс информационных ресурсов, программно-технических и организационно-технологических средств индивидуального и коллективного пользования, объединенных для выполнения определенных функций профессионального работника управления.

По составу АРМ представляет комплекс технических средств (ПЭВМ, коммуникационное, печатающее, множительное и др. оборудование), программных средств, программного обеспечения (системные - Windows, OS/2, Unix, прикладные и вспомагательные программы), информационное и методологическое обеспечение.

В одиночном режиме АРМ реализуется на обособленной ПЭВМ, все ресурсы которой находятся в монопольном распоряжении пользователя. Такое рабочее место ориентировано на решение нестандартных специфических задач, и для его реализации применяются электронные вычислительные машины (ЭВМ) небольшой мощности. При групповом режиме эксплуатации на базе одной ЭВМ реализуется несколько рабочих мест, объединенных по принципу административной или функциональной общности. В этом случае требуются более мощные ЭВМ и достаточно сложное программное обеспечение. Групповой режим эксплуатации обычно используется для организации распределенной обработки данных в пределах отдельного подразделения или организации для обслуживания стабильных групп специалистов и руководителей. Сетевой режим эксплуатации объединяет достоинства и одиночного и группового режимов. В этом случае каждое АРМ строится на базе одной ЭВМ, но в то же время предусматривается возможность использовать некоторые общие ресурсы вычислительной сети. АРМ для каждого объекта управления создаются в соответствии с их функциональным назначение. В основе создания АРМ лежат общие принципы:

* максимальная ориентация на конечного пользователя, достигаемая созданием инструментальных средств адаптации АРМ к уровню подготовки пользователя, возможностей его обучения и самообучения;

* формализация профессиональных знаний, т.е. возможность предоставления с помощью АРМ самостоятельно автоматизировать новые функции и решать новые задачи в процессе накопления опыта работы с системой;

* проблемная ориентация АРМ на решение определенного класса задач, объединенных общей технологией обработки информации, единство режимов работы и эксплуатации, что характерно для специалистов экономических служб;

* модульность построения, обеспечивающая сопряжение АРМ с другими элементами системы обработки информации (системность), а также модификацию и наращивание возможностей АРМ без прерывания его функционирования (гибкость);

* эргономичность, т.е. создание для пользователя комфортных условий труда и дружественного, удобного интерфейса общения с системой.

Дисциплина «Менеджмент в проектной деятельности» (Аверченков В.И.)

  1. Способы представления календарного планирования в проектном менеджменте.

  2. Определение проекта и процесса управления проекта

  3. Классификация проектов

  4. Определение целей проекта

  5. Жизненный цикл проекта

  6. Участники проекта

  7. Функции, выполняемые участниками проекта

  8. Назначение автоматизированных систем управления проектами

 

  1. Способы представления календарного планирования в проектном менеджменте.

В числе первых методов управления проектами были разработаны методы сетевого планирования и управления:

Диаграмма Гантта (Gantt chart – разделение всего проекта на определенную последовательность составных частей) – широко используется в современных пакетах прикладных программ по управлению проектами;

PERT (Program Evaluation and Review Technique – техника оценки

и обзора проектов) – впервые использовалась в проекте "Полярис" фирмами "Локхид" и "Буз Аллен";

CPM (Critical Path Method – метод определения критического пути) – был разработан фирмой "Дюпон" для использования в крупных промышленных невоенных проектах.

Диагра́мма Га́нта (англ. Gantt chart, также ленточная диаграмма, график Ганта) — это популярный тип столбчатых диаграмм, который используется для иллюстрации плана, графика работ по какому-либо проекту. Является одним из методов планирования проектов.

Первый формат диаграммы был разработан Генри Л. Гантом (Henry L. Gantt, 1861‒1919) в 1910 году.

Диаграмма Ганта представляет собой отрезки (графические плашки), размещенные на горизонтальной шкале времени. Каждый отрезок соответствует отдельной задаче или подзадаче. Задачи и подзадачи, составляющие план, размещаются по вертикали. Начало, конец и длина отрезка на шкале времени соответствуют началу, концу и длительности задачи. На некоторых диаграммах Ганта также показывается зависимость между задачами. Диаграмма может использоваться для представления текущего состояния выполнения работ: часть прямоугольника, отвечающего задаче, заштриховывается, отмечая процент выполнения задачи; показывается вертикальная линия, отвечающая моменту «сегодня».

Часто диаграмма Ганта соседствует с таблицей со списком работ, строки которой соответствуют отдельно взятой задаче, отображенной на диаграмме, а столбцы содержат дополнительную информацию о задаче. Пример такой таблицы представлен ниже.

PERT — это способ анализа задач, необходимых для выполнения проекта. В особенности, анализа времени, которое требуется для выполнения каждой отдельной задачи, а также определение минимального необходимого времени для выполнения всего проекта.

PERT был разработан в 50-ые годы главным образом для упрощения планирования и составления графиков больших и сложных проектов. Метод подразумевал наличие неопределённости, давая возможность разработать рабочий график проекта без точного знания деталей и необходимого времени для всех его составляющих.

Самая известная часть PERT — это «Сети PERT» — графики соединённых между собой временных линий. PERT предназначен для очень масштабных, единовременных, сложных, нерутинных проектов.

Диаграмма представляет собой множество точек-вершин вместе с соединяющими их ориентированными дугами. Каждая из них как направленный отрезок имеет начало и конец, причем модель содержит только одну из пары симметричных дуг (от вершины 1 к вершине 2 и от вершины 2 к вершине 1). Всякой дуге, рассматриваемой в качестве какой-то работы из числа нужных для осуществления проекта, приписываются определенные количественные характеристики. Это — объемы выделяемых на нее ресурсов и, соответственно, ее ожидаемая продолжительность (длина дуги). Любая вершина интерпретируется как событие завершения работ, представленных дугами, которые входят в нее, и одновременно начала работ, отображаемых дугами, исходящими оттуда. Таким образом, фиксируется что ни к одной из работ нельзя приступить прежде чем будут выполнены все предшествующие ей согласно технологии реализации проекта. Факт начала этого процесса — вершина без входящих, а окончание — без исходящих дуг. Остальные вершины должны иметь и те, и другие. Последовательность дуг, в которой конец каждой предшествующей совпадает с началом последующей, трактуется как путь от отправной вершины к завершающей, а сумма длин таких дуг — как его продолжительность. Обычно начало и конец реализации проекта связаны множеством путей, длины которых различаются. Наибольшая определяет длительность всего этого проекта, минимально возможную при зафиксированных характеристиках дуг графа. Соответствующий путь — критический и в каждый момент времени контролировать нужно состояние именно тех работ, которые «лежат» на нем.

Метод критического пути (Critical Path Method (CPM)) — метод сетевого планирования (анализа), используемый для определения продолжительности проекта путем анализа того, какая последовательность работ (какой путь) имеет наименьшую величину резервов времени. Ранние сроки вычисляют с помощью прямого прохода по сети, с использованием установленной даты начала. Поздние сроки вычисляют с помощью обратного прохода, начиная от установленной даты завершения проекта (обычно даты раннего завершения проекта, вычисленной путем прямого прохода по сети).

Метод критического пути — эффективный инструмент планирования расписания и управления сроками проекта.

В основе метода лежит определение наиболее длительной последовательности задач от начала проекта до его окончания с учетом их взаимосвязи. Задачи лежащие на критическом пути (критические задачи) имеют нулевой резерв времени выполнения и в случае изменения их длительности изменяются сроки всего проекта. В связи с этим при выполнении проекта критические задачи требуют более тщательного контроля, в частности, своевременного выявления проблем и рисков, влияющих на сроки их выполнения и, следовательно, на сроки выполнения проекта в целом. В процессе выполнения проекта критический путь проекта может меняться, так как при изменении длительности задач некоторые из них могут оказаться на критическом пути.

  1. Определение проекта и процесса управления проекта

Проект-это одноразовая совокупность действий и задач, обладающих следующими отличительными свойствами:

- четкие цели, которые д.б. достигнуты с одновременным выполнением ряда технических, экономических и др. требований;

- внутренние, внешние взаимосвязи операций, задач и ресурсов, которые требуют четкой координации в процессе выполнения;

- определение сроков начала и конца проекта;

- ограниченные ресурсы;

- определенная степень и уникальность целей проекта, условий осуществления;

- неизбежность конфликтов.

Главными требованиями к проекту являются их выполнение точно в срок и точно к месту.Законы управления проектами:

  • Ни один важный проект ни начинается во время, ни укладывается в бюджет и завершается не теми людьми, которые его начали

  • Проект быстро выполняется до уровня 90% и навечно замирает на этом уровне.

  • Когда все идет хорошо, значит что-то идет на перекосяк.

  • Никакую систему нельзя полностью исправить от ошибок; попытки исправить систему приводят к новым ошибкам.

  • Срок небрежно сверстанного проекта в 3 раза превышает запланированный.

Управление проектами- наука и искусство руководства людскими и материальными ресурсами на протяжении всего ЖЦ изделия.

Основные элементы системы управления проектами:

1. определение целей и результатов

2. составление календарных планов

3. составление бюджета

4. организационное моделирование

5. формирование комнды

6. коммуникации в проекте

7. риски в проекте(оценка и управление рисками)

8. контракты и поставки

Базовые функции управления проектами:

    1. Упр-ние предметной областью

    2. Упр-ние качеством

    3. Упр-ние временем

    4. Упр-ние стоимостью

    5. Упр-ние персоналом

    6. Упр-ние рисками

    7. Упр-ние контрактами и обеспечением

    8. Упр-ние взаимодействиями и информационными связями

3. Классификация проектов

Проекты могут сильно отличаться по сфере приложения, составу, предметной области, масштабам, длительности, составу участников, степени сложности, влиянию результатов и т.п. Множество разнообразных проектов может быть классифицировано по различным основаниям. Одна из наиболее распространенных классификаций проектов приведена на рис. 4. Важно указать следующие классификационные признаки:

Класс проекта – по составу и структуре проекта: монопроект (отдельный проект различного типа, вида и масштаба ), мультипроект (комплексный проект, состоящий из ряда монопроектов и требующий применения многопроектного управления), мегапроект (целевые программы развития регионов, отраслей и других образований и включающий в свой состав ряд моно- и мультипроектов).

Тип проекта – по основным сферам деятельности, в которых осуществляется проект: технический, организационный, экономический, социальный, смешанный.

Вид проекта – по характеру предметной области проекта: инвестиционный (создание или реновация основных фондов, требующих вложения инвестиций), инновационный (разработка и применение новых технологий, ноу-хау и других нововведений, обеспечивающих развитие систем), научно-исследовательский, учебно-образовательный, смешанные.

Длительность проекта – по продолжительности периода осуществления проекта: краткосрочные (до 2-х лет), среднесрочные (до 5-ти лет), долгосрочные (свыше 5-ти лет).

Масштаб проекта – по размерам бюджета, количеству участников и степени влияния на окружающий мир: мелкие, малые, средние, крупные (можно масштабы проектов рассматривать в более конкретной форме – межгосударственные, международные, национальные, межрегиональные и региональные, межотраслевые и отраслевые, корпоративные, ведомственные, проекты одного предприятия). Важно отметить факт, что в современной, быстро меняющейся обстановке бизнеса постоянно растет важность малых проектов (бюджет между 50 000 и 500 000 Евро; сроки от 4-х месяцев до 2-х лет).

- По характеру предметной области

1. инновационные

2. инвестиционные

3. проекты связанные с исследованиями и развитием

4. учебнообразовательные

5. комбинированные

4. Определение целей проекта

Главным содержанием работ на этой фазе является определение проекта, разработка его концепции, включающая:

– Формирование бизнес-идеи, постановка целей.

– Назначение руководителя проекта и формирование ключевой команды проекта.

– Установление деловых контактов и изучение рынка, мотивации и требований заказчика и других участников.

– Сбор исходных данных и анализ существующего состояния.

– Определение основных требований, ограничительных условий, требуемых материальных, финансовых и трудовых ресурсов.

– Сравнительная оценка альтернатив.

– Представление предложений, их экспертиза и утверждение.

Наиболее часто при определении целей проекта допускаются следующие ошибки:

– ошибки в определении интересов заказчика;

– концентрация на маловажных, сторонних интересах;

– неправильная интерпретации исходной постановки задачи;

– неправильное или недостаточное понимание деталей;

– неполнота функциональных спецификаций (системных требований);

– чрезмерная загруженность;

– ошибки в определении рыночной ниши и позиционирования;

– ошибки в переговорах;

– ошибки в определении требуемых ресурсов и сроков;

– редкая проверка на согласованность этапов и контроля со стороны заказчика (нет привлечения заказчика);

– слабость координации;

– ненаглядное представление результатов для оценки.

На начальных фазах осуществления проекта необходимо применять нетрадиционные методы и средства УП, в первую очередь, управление процессом системного проектирования (фазы разработки коммерческого предложения и проектирования).

5. Жизненный цикл проекта

ЖЦ- набор последовательных фаз проекта, определяемых для лучшего контроля и управления.Он определяется промежутком времени между моментом появления проекта и моментом его ликвидации.

Каждый проект независимо от сложности и объема работ, необходимых для его выполнения, проходит в своем развитии определенные состояния: от состояния, когда "проекта еще нет", до состояния, когда "проекта уже нет".

Совокупность ступеней развития от возникновения идеи до полного завершения проекта образует жизненный цикл проекта, который принято разделять на фазы (стадии, этапы).

Имеются некоторые отличия в определении количества фаз и их содержания, поскольку эти характеристики во многом зависят от условий осуществления конкретного проекта и опыта основных участников. Тем не менее, логика и основное содержание процесса развития проектов во всех случаях являются общими.

Принято состав и содержание работ по реализации проекта делить на следующие фазы (рис. 5):

– Формирование концепции;

– Разработка коммерческого предложения;

– Проектирование;

– Изготовление;

– Сдача объекта и завершения проекта.

6. Участники проекта

Участники проекта – основные элементы его структуры, которые обеспечивают его реализацию. В зависимости от вида проекта, в его участии могут принимать участие от одного до нескольких десятков (иногда сотен) организаций. Различаются следующие участники проекта:

1.) Инициатор – сторона, являющаяся автором главной идеи проекта, его предварительного обоснования и предложений по осуществлению проекта.

2.) Заказчик – главная сторона, заинтересованная в осуществлении проекта и достижении его результата. Как правило, это будущий владелец или пользователь результата проекта.

3.) Инвестор – сторона, вкладывающая инвестиции в проект чаще всего посредством кредитов. Цель инвесторов – получение прибыли на свои инвестиции от реализации проекта. Если инвестор и заказчик не являются одним и тем же лицом, то в качестве инвесторов чаще всего выступают банки, инвестиционные фонды и другие организации.

4.) Руководитель проекта (менеджер проекта, проект-менеджер) – юридическое лицо, которым заказчик и инвестор делегируют полномочия по руководству работами, по осуществлению проекта, предусматривающую планирование, контроль и координацию работ всех участников проекта.

5.) Команда проекта – специфическая организационная структура, возглавляемая руководителем проекта и создаваемая на период осуществления проекта. Задача команды проекта состоит в осуществлении функций управления проектом до эффективного достижения целей бизнес-проекта.

6.) Контрактор – сторона или участник проекта, вступающий в отношения с заказчиками и берущий на себя ответственность за выполнение работ по контракту – это может быть весь проект или его часть. Цель контрактора – получение максимально возможной прибыли.

7.) Субконтрактор – сторона, которая вступает в договорные отношения с контрактором или субконтракторами более высокого уровня. Субконтрактор (субподрядчик) выступает как косвен­ный участник проекта, работая через контрактора, с которым у него за­ключены договорные обязательства. Несет ответственность за выполнение работ и услуг в соответствии с контрактом.

8.) Проектировщик – юридическое лицо, выполняющее по контракту проектно-изыскательские работы в рамках проекта. Вступает в договорные отношения с генконтрактором проекта или непосредственно с заказчиком.

9.) Генеральный подрядчик – юридическое лицо, чье предложение принято заказчиком. Несет ответственность за выполнение работ и услуг в соответствии с контрактом. Подбирает и заключает договоры с субподрядчиками за выполнение отдельных работ и услуг.

10.) Поставщики – субконтракторы, осуществляющие разные виды поставок на контрактной основе – материалы, оборудование, транспортные средства и др.

11.) Лицензоры (лицензиар) – организации, выдающие лицензии на право владения земельным участком, ведение торгов, выполнения определенных видов работ, услуг и т.п.

12.) Органы власти – сторона, удовлетворяющая свои интересы путем получения налогов от участников проекта, а также контролирующая выполнение экологических, социальных и других общественных и государственных требований, связанных с реализацией проекта.

13.) Владелец земельного участка – юридическое или физическое лицо, являющееся владельцем участка земли, вовлеченного в проект. Вступает в отношения с заказчиком и передает на договорной основе право пользования или владения этим участком земли.

14.) Производитель конечной продукции проекта, осуществляющий эксплуатацию созданных основных фондов и производит конечную продукцию. Главная цель – получение прибыли от продажи готовой продукции потребителям. Принимает участие на всех фазах проекта и взаимодействует с основными участниками проекта.

15.) Потребители – юридические или физические лица, являющиеся покупателями и пользователями продукции, определяющие требования к производимой продукции и оказываемым услугам, формирующие спрос на них. За счет средств потребителей возмещаются затраты на проект и формируется прибыль всех участников проекта.

7. Функции выполняемые участниками проекта

Руководитель проекта:

– организует экспертизу бизнес-идеи, руководит разработкой коммерческого предложения и бизнес-плана, подготавливает к заключению контракты и договоры с заказчиком, контрагентами и поставщиками;

– обладает необходимыми полномочиями и несет ответственность за всю работу над проектом;

– подбирает свою рабочую группу и должен уметь хорошо организовать и стимулировать их работу;

– руководит этапом структурного проектирования, определяет необходимые ресурсы, обеспечивает их распределение по видам работ и координацию этих работ;

– использует персонал контроля проекта для планирования объемов и сроков работ, получения оценок и контроля затрат, контроля за движением материально-технических средств;

– в случае мелких проектов может также выступать в роли координатора работ по проекту, либо управлять несколькими проектами одновременно, а в случае более крупных проектов ему оказывает помощь координатор работ по проекту;

– должен обладать способностью предвидеть проблемы и предотвращать их.

Участники проекта. Они реализуют различные интересы в процессе осуществления проекта, формируют свои требования в соответствии с целями и мотивацией и оказывают влияние на проект в соответствии со своими интересами, компетенцией и степенью "вовлеченности" в проект.

Команда проекта. Она является мотором и исполнительным органом проекта, от команды во многом зависит прогресс и успех проекта.

8. Назначение автоматизированных систем управления проектами

Основное назначение подобной системы – поддержка проектов и задач, выдача заданий сотрудникам и контроль исполнения заданий и хода проекта через листы рабочего времени сотрудников.

Система управления проектами должна позволять оперативно получать информацию о запланированном и фактически отработанном времени по каждому проекту, каждой задаче в рамках проекта и по каждому исполнителю в рамках задачи, а также о текущем состоянии исполнения бюджета как по проекту в целом, так и по каждому исполнителю в отдельности.При этом покупка удачного программного обеспечения не равносильна успешной постановке управления проектами в организации. Именно качество внедрения системы определяет различие между "хорошим" и "плохим" пакетом.

Система управления проектами должна обеспечивать:

  • управление портфелем проектов;

  • согласованное управление проектами и ресурсами;

  • эффективное взаимодействие участников проектной команды;

интеграцию с существующими корпоративными информационными системами
Системы управления проектами

Microsoft Project - самый популярный в мире программный продукт для управления проектами. Настольное приложение Microsoft Project сочетает в себе интуитивно-понятный интерфейс Microsoft Office и все необходимые менеджеру проекта средства для управления планом и ресурсами проекта. Серверный продукт Microsoft Project Server является платформой для организации корпоративной системы управления проектами и обеспечивает коллективный доступ к проектной информации и взаимодействие участников проекта через Веб-интерфейс.
MS Project (разработчик - Microsoft) используют для планирования своих проектов около 3 млн. человек.
 «1С-Рарус: Управление проектами».
Time Line (разработчик - Time Line Solutions). Многие компании в нашей стране начинали свой путь к внедрению систем управления проектами именно с этого продукта
Primavera Project Planner (разработчик - Primavera, представитель в России - «ПМ Софт»).
Для построения интегрированной системы управления проектами компания Primavera предлагает несколько продуктов. Для использования на нижних уровнях управления - SureTrak Project Manager, для работы со сложными многоуровневыми иерархическими проектами - профессиональный пакет управления проектами Primavera Project Planner (P3), а также систему масштаба предприятия, работающую по технологии «клиент-сервер», Primavera Project Planner for the Enterprise (P3e).
Spider Project (разработчик - компания «Технологии управления „Спайдер“»). Одна из лучших отечественных систем управления проектами.

В первую очередь, система управления проектами должна поддерживать простейшие функции кадрового учета, то есть позволять хранить данные о каждом сотруднике, включая его контактную информацию, принадлежность к административному подразделению и размер заработной платы. Кроме того, должна быть возможность объединения исполнителей по проектам и задачам без привязки к административному делению компании.

Дисциплина «Основы инженерного творчества» (Малахов Ю.А.)

  1. Теория творчества. Основные этапы творческого процесса.

  2. Патентный поиск: назначение и методы проведения.

  3. Методы разрешения технических противоречий (метод «мозговой атаки», метод эвристических приемов, метод проб и ошибок, метод контрольных вопросов).

  4. Алгоритм решения изобретательских задач.

 

  1. Теория творчества. Основные этапы творческого процесса.

В основе любой изобретательской задачи лежит противоречие, которое на определенном этапе решения этой задачи затрудняет поиск результата, обеспечивающего выполнение требуемой функции проектируемого объекта. Без разрешения противоречия проектируемого технического объекта невозможно движение вперед, совершенствование объекта. Различают три типа противоречий:

  1. административное противоречие. Надо получить что-то, но я не знаю, как это сделать. Такое противоречие порождает изобретательскую ситуацию.

  2. Техническое противоречие. "Одно свойство системы противоречит другому его свойству" или "Улучшение одной части системы приводит к ухудшению другой ее части".

  3. Физическое противоречие. Часть рассматриваемой системы должна находиться в таком физическом состоянии, чтобы удовлетворять одному требованию задачи, и должна находиться в противоположенном физическом состоянии, чтобы удовлетворять другому требованию задачи.

Этапы:

1. Подготовка. Накопление знаний по данному вопросу, четкая формулировка постановки задачи.

  1. Концентрация усилий. На этом этапе происходит обдумывание и поиск общих путей решения поставленной задачи. В простейших случаях такой поиск означает перебор возможных вариантов. Однако истинное творчество состоит в нахождении нового пути, который до сих пор не был известен.

  2. Передышка. Период умственного отдыха, когда происходит отвлечение от решаемой задачи.

  3. Озарение. Получение (синтез) новой идеи или изменение уже известной, которая является искомым решением.

  4. Доведение работы до конца. Обобщение, оценка. При этом приводится строгая, тщательная проверка новизны, целесообразности и пользы полученного результата. Она может быть выполнена путем логических рассуждений, бесед с коллегами по работе, консультаций у специалистов и так далее.

  1. Патентный поиск: назначение и методы проведения. Стратегия избирательской деятельности

Патентный поиск - разновидность информационного поиска, осуществляемого преимущественно в фондах патентной документации с целью установления уровня технического решения, границ прав владельца патентного документа и условий реализации этих прав.

Патентный поиск подразделяется: а) на тематический (предметный); б) именной; в) поиск по формальным признакам (например, номеру) документации (нумерационный).

Тематический патентный поиск является главной и наиболее распространенной поисковой процедурой. При тематическом поиске, осуществляемом с целью выдачи авторского свидетельства или патента после проверки заявки на мировую новизну, следует использовать прежде всего международную классификацию изобретений. Поисковым образом документа является обычно индекс рубрики классификации или список ключевых слов (в том числе наименование изобретения).

Именной поиск широко применяется для контроля деятельности конкурента, а также в качестве одного из предварительных этапов предметного поиска (по наименованию фирмы – патентообладателя устанавливаются номера выданных патентов и их принадлежность к определенной рубрике классификации изобретений).

В качестве поискового образа при именном поиске используется наименование (фамилия) патентообладателя, заявителя, действительного автора (авторов), представителя заявителя и так далее.

Нумерационный поиск (поиск по номеру документа) осуществляется для установления тематической принадлежности документа, его связей с другими документами и правового статуса на момент проверки. Нумерационные поисковые системы обычно содержат следующие элементы: код страны; номер документа (это может быть номер патента или номер заявки и так далее);код вида патентного документа, индекс рубрики классификации изобретений, к которой отнесен документ; сведения о сроке действия охранного документа; сведения о наличии документа в фонде и другие

Применяются также нумерационные поиски по датам приоритета (публикации, поиски и так далее) и по коду вида документа (если в фонде имеются документы разных видов).

В настоящее время при проведении патентных исследований широко применяется Международная классификация изобретений. МКИ представляет собой ступенчатую иерархическую систему. Полный классификационный индекс МКИ состоит из комбинации индексов, обозначающих раздел, класс, подкласс и основную группу или подгруппу.

Процедуру поиска можно представить из следующих этапов:

1 - определение предмета поиска (конкретизация и составление рубрикатора по теме);

  1. - установление круга стран;

  2. - выбор временного интервала поиска (при планировании - 7-10 лет; при патентных исследованиях - 10-15 лет; при исследовании патентной чистоты - за срок действия патентов);

4 - просмотр и отбор описаний изобретений (поиски - тематический, именной, нумерационный, с использованием библиографических ссылок).

Алгоритм - это комплекс последовательно выполняемых действий, направленных на решение изобретательской задачи. Процесс решения рассматривается как последовательность операций по выявлению, уточнению и преодолению технического противоречия.

Часть 1. Выбор задачи

1. Определить конечную цель решения задачи.

2. Проверить обходной путь. Допустим, задача принципиально нерешима: какую другую задачу надо решить, чтобы получить требуемый конечный результат?

3. Определить, решение какой задачи целесообразнее - первоначальной или одной из обходных, и выбрать.

4. Определить требуемые количественные показатели.

5. Уточнить требования, вызванные конкретными условиями, в которых предполагается реализация изобретения.

6. Уточнить задачу, используя патентную информацию.

7. Применить оператор РВС.

Часть 2. Построение модели задачи

1. Записать условия задачи, не используя специальные термины.

2. Выделить и записать конфликтующую пару элементов.

3. Записать два взаимодействия (действия, свойства) элементов конфликтующей пары: имеющееся и то, которое надо ввести; полезное и вредное.

Часть 3. Анализ модели задачи

1. Выбрать из элементов, входящих в модель задачи, тот, который можно легко изменить, и так далее.

2. Записать стандартную формулировку ИКР (идеального конечного результата).

Элемент (указать выбранный на шаге 1) сам (сама, само) устраняет вредное взаимодействие, сохраняя способность выполнять (указать полезное взаимодействие).

3. Выделить ту зону элемента (указанного на шаге 2), которая не справляется с требуемым по ИКР комплексом двух взаимодействий. Что в ней - вещество, поле? Показать эту зону на схематическом рисунке, обозначив ее цветом, штриховкой и тому подобное.

4. Сформулировать противоречивые физические требования, предъявляемые к состоянию выделенной зоны элемента конфликтующими взаимодействиями (действиями, свойствами).

5. Записать стандартные формулировки физического противоречия.

Часть 4. Устранение физического противоречия

1. Рассмотреть простейшие преобразования выделенной зоны элемента, то есть разделение противоречивых свойств. (В пространстве, во времени и так далее.)

Если получен физический ответ (то есть выявлено необходимое физическое действие), перейти к 5, а если нет - перейти к 2.

2. Использовать, таблицу типовых моделей задач и выполненных преобразований. Если получен физический ответ, перейти к 4, а если нет - перейти к 3.

3. Использовать таблицу применения физических эффектов и явлений. Если получен физический ответ, перейти к 5, а если нет - перейти к 4.

4. Использовать таблицу основных приемов устранения технических противоречий. Если до этого получен физический ответ, использовать таблицу для его проверки.

5. Перейти от физического ответа к техническому: сформулировать способ и дать схему устройства, осуществляющего этот способ.

Часть 5. Предварительная оценка полученного решения

1. Провести предварительную оценку.

2. Проверить (по патентным данным) формальную новизну полученного решения.

Часть 6. Развитие полученного ответа

1. Определить, как должна быть изменена надсистема, в которую входит измененная система.

2. Проверить, может ли измененная система применяться по-новому.

3. Использовать полученный ответ при решении других технических задач.

Часть 7. Анализ хода решения

1. Сравнить реальный ход решения с теоретическим. Если есть отклонения - записать.

2. Сравнить полученный ответ с табличными данными (таблица физических эффектов, таблица основных приемов [1,2,15] ). Если есть отклонения - записать.

  1. Методы разрешения технических противоречий (метод «мозговой атаки», метод эвристических приемов, метод проб и ошибок, метод контрольных вопросов).

1. Метод проб и ошибок

Цель метода заключается в бессистемном последовательном выдвижении и рассмотрении всевозможных вариантов решения (проб) поставленной проблемы. Решая задачу методом "проб и ошибок", изобретатель опирается на предшествующий опыт: припоминает похожие задачи из своей практики, обращается к патентной информации, пользуется сведениями из научно-технической литературы и производственной практики. Если выдвинутая идея оказывается неудачной (ошибкой), ее отбрасывают, а затем выдвигают новую.

2. Метод эвристических приемов

Эвристические приемы содержат краткое предписание или указание, "как преобразовать" имеющийся прототип или "в каком направлении нужно искать", чтобы получить искомое решение. Эвристический прием обычно не содержит прямого однозначного указания, как преобразовать прототип. Он содержит "подсказку", которая облегчает получение искомого решения, однако не гарантирует его нахождения.

Цель метода: За счет набора различных приемов (межотраслевой фонд, индивидуальный фонд эвристических приемов и так далее) значительно повысить вероятность нахождения новых решений и улучшение известных. Чем больше приемов, тем выше вероятность успешного решения задачи, тем совершеннее само решение.

  1. Метод контрольных вопросов

Цель его - с помощью наводящих вопросов подвести к решению задачи. . Суть метода состоит в том, что изобретатель отвечает на вопросы, содержащиеся в списке, и в связи с ними рассматривает свою задачу. Широко распространены универсальные вопросники. Метод контрольных вопросов является усовершенствованием метода проб и ошибок. В сущности, каждый вопрос является пробой (или серией проб).

4.  Метод «мозговой атаки»

Цель метода мозговой атаки - стимулировать группу лиц к быстрому генерированию большого числа идей. Идея метода: если взять группу из 5-8 человек и каждому предложить независимо индивидуально высказать идеи и предложения по решению поставленной изобретательской или рационализаторской задачи, то получим в сумме идей меньше, чем если предложить этой группе коллективно высказать идеи по этой же задаче.

Кратко план действий по методу мозговой атаки можно сформулировать так:

  1. Отобрать группу лиц для генерации идей.

  2. Ввести правило, запрещающее критиковать любую идею, какой бы "дикой" она ни оказалась, и довести до сознания участников, что приветствуются любые идеи, что необходимо получить много идей и что участники должны попытаться комбинировать или усовершенствовать идеи, предложенные другими.

  3. Зафиксировать выдвинутые идеи и дать им затем оценку. Рассмотрим более подробно порядок проведения прямой мозговой атаки.

  1. Алгоритм решения изобретательских задач.

Алгоритм - это комплекс последовательно выполняемых действий, направленных на решение изобретательской задачи. Процесс решения рассматривается как последовательность операций по выявлению, уточнению и преодолению технического противоречия.

Часть 1. Выбор задачи

1. Определить конечную цель решения задачи.

2. Проверить обходной путь. Допустим, задача принципиально нерешима: какую другую задачу надо решить, чтобы получить требуемый конечный результат?

3. Определить, решение какой задачи целесообразнее - первоначальной или одной из обходных, и выбрать.

4. Определить требуемые количественные показатели.

5. Уточнить требования, вызванные конкретными условиями, в которых предполагается реализация изобретения.

6. Уточнить задачу, используя патентную информацию.

7. Применить оператор РВС.

Часть 2. Построение модели задачи

1. Записать условия задачи, не используя специальные термины.

2. Выделить и записать конфликтующую пару элементов.

3. Записать два взаимодействия (действия, свойства) элементов конфликтующей пары: имеющееся и то, которое надо ввести; полезное и вредное.

Часть 3. Анализ модели задачи

1. Выбрать из элементов, входящих в модель задачи, тот, который можно легко изменить, и так далее.

2. Записать стандартную формулировку ИКР (идеального конечного результата).

Элемент (указать выбранный на шаге 1) сам (сама, само) устраняет вредное взаимодействие, сохраняя способность выполнять (указать полезное взаимодействие).

3. Выделить ту зону элемента (указанного на шаге 2), которая не справляется с требуемым по ИКР комплексом двух взаимодействий. Что в ней - вещество, поле? Показать эту зону на схематическом рисунке, обозначив ее цветом, штриховкой и тому подобное.

4. Сформулировать противоречивые физические требования, предъявляемые к состоянию выделенной зоны элемента конфликтующими взаимодействиями (действиями, свойствами).

5. Записать стандартные формулировки физического противоречия.

Часть 4. Устранение физического противоречия

1. Рассмотреть простейшие преобразования выделенной зоны элемента, то есть разделение противоречивых свойств. (В пространстве, во времени и так далее.)

Если получен физический ответ (то есть выявлено необходимое физическое действие), перейти к 5, а если нет - перейти к 2.

2. Использовать, таблицу типовых моделей задач и выполненных преобразований. Если получен физический ответ, перейти к 4, а если нет - перейти к 3.

3. Использовать таблицу применения физических эффектов и явлений. Если получен физический ответ, перейти к 5, а если нет - перейти к 4.

4. Использовать таблицу основных приемов устранения технических противоречий. Если до этого получен физический ответ, использовать таблицу для его проверки.

5. Перейти от физического ответа к техническому: сформулировать способ и дать схему устройства, осуществляющего этот способ.

Часть 5. Предварительная оценка полученного решения

1. Провести предварительную оценку.

2. Проверить (по патентным данным) формальную новизну полученного решения.

Часть 6. Развитие полученного ответа

1. Определить, как должна быть изменена надсистема, в которую входит измененная система.

2. Проверить, может ли измененная система применяться по-новому.

3. Использовать полученный ответ при решении других технических задач.

Часть 7. Анализ хода решения

1. Сравнить реальный ход решения с теоретическим. Если есть отклонения - записать.

2. Сравнить полученный ответ с табличными данными (таблица физических эффектов, таблица основных приемов [1,2,15] ). Если есть отклонения - записать.

Дисциплина «Методы и средства защиты  информации» (Гайнулин Т.Р.)

  1. Политика РФ в области информационной безопастности. Понятие системы информационной безопастности.

  2. Классификация угроз информационой безопастности.

  3. Каналы утечки информации. Методы реализации угроз информационной безопастности.

  4. Правовые методы защиты информации.

  5. Организационные методы защиты информации.

  6. Обеспечение информационой безопастности в компьютерных сетях. Администрирование компьютерных сетей.

  7. Средства защиты от несанкционрованного доступа к информации.

  8. Средства защиты целостности информации.

  1. Политика РФ в области информационной безопастности. Понятие системы информационной безопастности.

Система информационной безопасности - это комплекс организационно-технических мероприятий и программно-аппаратных средств, обеспечивающих надежное хранения и безопасную передачу данных.

Для обеспечения безопасности вычислительных систем необходима четкая и продуманная Политика Безопасности, в которой отражены не только технические аспекты ее реализации, но и четко определены уровни доступа участников к той или иной информации, их ответственность за те или иные действия, выходящие за разрешенные рамки. Также необходим ряд административных мер, направленных на эффективное внедрение этих правил и создание технических условий для реализации политики безопасности.

В РФ вопросы информационной безопастности обеспечиваются соблюдением указов президента , ФЗ, постановлениями правительства РФ, руководящих документов федеральной службы технико-экспертного контроля и др. нормативными документами.

Осн. проблемы – конфиденциальность, целостность и доступность данных.

Безопасная инф. сис-ма – это сист., кот. защищает данные от несанкц-го доступа, всегда готова предоставить их своим польз-лям, надежно харанит инф-ю и гарантирует неизменность данных.

Конфиденциальность – гарантия того что секретные данные будут доступны только тем пользователям, кот. доступ разрешен (авторизованные польз-ли).

Доступность – гарантия того что авторизованные польз-ли всегда получат доступ к данным.

Целостность – гарантия сохранности данными правильных значений, кот. обесп-ся запретом для неавториз-х польз-лей изменять, модифицировать, разрушать или создавать данные.

Треб-я к безоп-ти могут меняться в зависимости от назначения сис-мы,хар-ра исп-х данных и типа возм-х угроз.

Любое действие напр-е на нарушение конфиденциальности, целостности и (или) доступности данных, а также на нелегальное испол-е др. ресурсов сети наз угрозой. Реализ-я угроза – атака.

Риск – это вероятностная оценка величины возм. ущерба, кот. может понести владелец инф. ресурса в рез-те удачного проведения атаки.

  1. Классификация угроз информационной безопастности.

Все множество потенциальных угроз по природе их возникновения разделяется на два класса: естественные (объективные) и искусственные (субъективные) (рис.2.1).

Угрозы безопасности



Естественные

Искусственные


Преднамеренные



Непреднамеренные



Рис. 2.1. Классификация угроз безопасности

Естественные угрозы - это угрозы, вызванные воздействиями на АС и ее элементы объективных физических процессов или стихийных природных явлений, независящих от человека.

Искусственные угрозы - это угрозы АС, вызванные деятельностью человека. Среди них, исходя из мотивации действий, можно выделить:

  1. умышленные – незаконное проникновение в один из компьютеров сети под видом легального пользователя; разрушение сист. с пом. прог-вирусов; нелегальные действия легального пользователя; прослушивание внутрисетевого трафика.

  2. неумышленные – ошибочные действия легальных пользователей из-за их низкой квалификации или безответственности, также последствия ненадежной работы аппаратуры или ПО.

В вычислительных сетях можно выделить следующие типы угроз:

  • Незаконное проникновение в компьютеры сети под видом легального пользователя;

  • Разрушение системы с помощью программ- вирусов;

  • Нелегальные действия легального пользователя;

  • Подслушивание внутрисетевого трафика.

  1. Каналы утечки информации. Методы реализации угроз информационной безопастности.

Основными причинами утечки информации являются:

    1. Несоблюдение персоналом норм, требований, правил эксплуатацииАС

    2. Ошибки в проектировании АС и системе защиты АС

    3. Ведение противостоящей стороной технической и аппаратной разведки

Существует три вида утечки информации:

- разглашение

- несанкционированный доступ(НСД)

- получение защищенной информации разведками(ПЗИР).

Под разглашением инфо понимается несанкционированноедоведение защищенной информации до потребителя, не имеющего права доступа к защищенной информации.

Под НДС понимают получение защищенной инфо заинтересованным субъестом с нарушением прав или правил доступа к защищенной инфо.

ПЗИР может осуществляться с помощью технических средств или агентурными методами.

Канал утечки инфо- совокупность источника инфо уязвимости носителя инфо, или матереального носителя и среды распространения, несущей данную инфу.

Обобщенный перечень каналов утечки инфо:

    1. Электромагнитный канал( причиной его возникновения является электромагнитное поле, связанное с протеканием электрического тока в аппаратных компанентах)

- радиоканал(высокочастотное излучение)

- низкочастотный канал

- сетевой(наводки на сеть, электропитание)

- наводки на провода, заземления

- наводки на линии связи м\у компьютерами

2. аккустический(виброаккустический- связан с распространением звуковых волн в воздухе или упругих колебаний в других средах, возникающих при работе устройств отображения)

3. визуальный канал(связан с возможностью визуального наблюдения злоумышленников за работой устройства отображения)

4. информационный канал ( связан с доступом к элементам автоматизированной системы, носителем инфо, вводимой и выводимой инфо, ПО (в т. ч. ОС), а также подключением к ним связи)

  1. Правовые методы защиты информации.

ЗИ- комплекс мероприятий , направленный на обеспечение информационной безопатсноти.

Правовые методы защиты инфо служат основой легитимного построения и использования системой защиты любого назначения.

Государство должно обеспечить в стране ЗИ как в масштабах всего государства, так и на уровне организаций и своих граждан. Для этого государство обязано:

- создать иерархическую структуру государственных органов, вырабатывающих и проводящих в жизнь политику безопастности информационных технологий.

- законодательноопределить правовой статус информационных систем, систем ЗИ, владельцев и пользователей инфо.

- создать систему стандартизации, лицензирования и сертификации в области ЗИ.

- обеспечить приоритетное развитие отечественых защищеных ИТ.

- повышение уровня образования граждан в области ИТ, воспитывать у них патриотизм и бдительность.

- установить ответственность граждан за нарушение законодательства в области ИТ.

  1. Организационные методы защиты информации.

Организационные методы ЗИ используются для парирования нескольких угроз, кроме того их использование в любой системе защиты обязательно.

Организационные методы ЗИ включают меры, мероприятия и действия, которые должны осуществлять должностные лица в процессе создания и эксплуатации инфо вычислительных с-м для обеспечения заданного уровня информационной безопасности.

Организационные методы защиты информации тесно связаны с правовым регулированием в области безопасности информации. В соответствии с законами и нормативными актами в министерствах, ведомствах, на предприятиях (не зависимо от форм собственности) для защиты инфо создают специальные службы ИБ, которые подчиняются руководству учреждения. Руководители этих служб организуют создание и функционирование систем информационой безопаности.

На организационном уровне решаются следующие задач БИ в инфо-но выч-ных с-мах:

- организация работ по разработке с-мы ЗИ

- ограничение доступа на объект и к ресурсам компьютернх сетей

- разграничение доступа к ресурсам КС

- планирование мероприятий

- разработка документации

- воспитание и обучение обслуживающего персоала и пользователей

- сертификация средств ЗИ

- лицензирование деятельности по ЗИ

- аттестация объектов защиты

- совершенствование системы защиты информации

- оценка эффекивности функцианирования систем защиты информации

- контроль выполнения установленных правил работы

Организационные методы являются стержнем комплексной ЗИ. Тлько с их помощью возможно объединение на правовой основе технических программных и криптографических средств ЗИ в единую комплексную систему.

  1. Обеспечение информационной безопастности в компьютерных сетях. Администрирование компьютерных ситей.

Объект защиты в КС - свойство, функция или компонент системы, нештатным (несанкционированным) воздействием на которые может быть нанесен ущерб самой системе, процессу и результатам ее работы, и как следствие - интересам личности, общества и государства.Объектами защиты в КС являются также свойства и характеристики их нормальной (штатной) работы:

-целостность накапливаемой и циркулирующей информации;

-порядок доступа к охраняемой информации и ее использования;

-бесперебойность работы технических средств;

-корректность работы программных средств.

организационные (административные) меры - это меры, регламентирующие процессы функционирования КС, использование ее ресурсов, деятельность персонала, а также порядок взаимодействия пользователей с системой таким образом, чтобы в наибольшей степени затруднить или исключить возможность реализации угроз безопасности.

Система организационных и организационно-технических защитных включает в себя:

-разовые (однократно проводимые и повторяемые только при полном пересмотре принятых решений) мероприятия;

-мероприятия, проводимые при осуществлении или возникновении определенных изменений в самой защищаемой КС или внешней среде (проводимые по необходимости);

-многократно проводимые мероприятия (периодические или стохастические).

Организационные средства - средства, с помощью которых реализуются организационные меры, и не относящиеся к программным или техническим видам. К ним можно отнести:

-нормативно-правовую базу государства;

-организационно-распорядительную документацию;

-административный ресурс и т.п.

работ в выделенных и смежных с ними помещениях, а также в коридорах.

Для непосредственной организации (построения) и эффективного функционирования системы защиты информации в КС может быть (а при больших объемах защищаемой информации - должна быть) создана специальная штатная служба обеспечения компьютерной безопасности. Основные функции службы:

-формирование требований к системе защиты в процессе создания АС;

-участие в проектировании системы защиты, ее испытаниях и приемке в эксплуатацию;

-планирование, организация и обеспечение функционирования системы защиты информации в процессе функционирования АС;

-распределение между пользователями необходимых реквизитов защиты;

-наблюдение за функционированием системы защиты и ее элементов;

-организация проверок надежности функционирования системы защиты;

-обучение пользователей и персонала АС правилам безопасной обработки информации;

-контроль за соблюдением пользователями и персоналом АС установленных правил обращения с защищаемой информацией в процессе ее автоматизированной обработки;

-принятие мер при попытках НСД к информации и при нарушениях правил функционирования системы защиты.

Процесс администрирования КС является организационно-технологическим процессом, объединяющим методики и процедуры обеспечения безопасности с действиями сил и средств. К основным процедурам процесса администрирования относятся:

-проверка системы и средств безопасности;

-управление паролями;

-поддержка пользователей;

-сопровождение программного обеспечения;

-конфигурационное управление;

-резервное копирование;

-управление носителями.

  1. Средства защиты от несанкционрованного доступа к информации.

Несанкционированным доступом (НСД) к информации ПК будем называть незапланированное ознакомление, обработку, копирование, применение различных вирусов, в том числе разрушающих программные продукты, а также модификацию или уничтожение информации в нарушение установленных правил разграничения доступа. В защите информации ПК от НСД можно выделить три основных направления:

  • первое ориентируется на недопущение нарушителя к вычислительной среде и основывается на специальных технических средствах опознавания пользователя;

  • второе связано с защитой вычислительной среды и основывается на создании специального программного обеспечения по защите информации;

  • третье направление связано с использованием специальных средств защиты информации ПК от несанкционированного доступа.

К техническим направлениям ЗИ КС от НСД относятся:

-минимизация количества периферийных устройств на пользовательских ПК;

-специализация устройств обработки информации;

-использование специализированных сетевых устройств;

-применение ТС разграничения доступа к компонентам КС;

-применение средств гарантированного удаления информации с физических носителей;

-применение средств защиты информации от утечки по каналам побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН).

К специализированным ТС обработки информации относятся:

-серверы размещения информационных ресурсов (серверы баз данных, файл-серверы, web-серверы);

-серверы приложений (прокси-серверы, почтовые серверы, серверы защиты и т.д.);

-серверы резервирования данных (backup-серверы с набором устройств копирования данных);

-серверы печати (сетевой принтер, специализированный принт-сервер или выделенный ПК).

Использование специализированных сетевых устройств.

Данное направление заключается в создании защищенной технической инфраструктуры сети. Он позволяет на аппаратном уровне:

- сегментировать участки сети;

- управлять сетевым трафиком;

- регулировать процессы доступа в сеть;

-преобразовывать передаваемую информацию в защищенный вид.

К таким устройствам относятся управляемые коммутаторы, маршрутизаторы, серверы доступа, модемы, криптосистемы.

Модемы с функцией фильтрации и обратного вызова.

Представляют собой средство создания безопасного соединения удаленного пользователя с узлом корпоративной сети по коммутируемой линии связи. Встроенный в модем АОН определяет телефонный номер инициатора соединения, сверяет его со списком номеров, записанных в ПЗУ модема, и при наличии совпадения устанавливает соединение. При наличии функции обратного вызова (call back) модем автоматически перезванивает на номер инициатора связи и устанавливает соединение после его ответа.

К средствам защиты информации при ее передаче относятся:

-аппаратно-программные криптосистемы;

-устройства формирования специальных сигналов и пакетов.

Применение ТС разграничения доступа к компонентам КС.

Средства ограничения возможности вскрытия компонентов КС и линий связи:

-создание физически защищенных линий связи (с использованием методов и средств затруднения доступа и подключения к линии, волоконнооптических);

-различные замки на корпуса устройств;

-сигнализация на вскрытие устройств.

Технические средства контроля доступа к компонентам КС.

Считывающие устройства .

К ним относятся: смарт-карты; электронные идентификаторы и электронные ключи.

Смарт-карты – пластиковые карты со встроенным чипом (микросхемой). Смарт-карты обеспечивают защищенные запись и хранение личной информации, состояния электронного кошелька, финансовых транзакций, паролей доступа и данных для аутентификации.

Виды смарт-карт:

-карты с магнитной полосой (хранение малых объемов данных, низкая безопасность);

-карты памяти (хранение средних объемов данных, средняя безопасность, нет криптопроцессора);

-микропроцессорные карты и криптокарты.

Электронные идентификаторы iButton (старое название Touch Memory).

iButton представляют собой микросхему и миниатюрную литиевую батарейку, размещенную в корпусе. Для считывания данных из приборов iButton используется контактное устройство Touch Probe, которое представляет собой механический узел, форма которого сделана такой, чтобы он точно сопрягался с круглым корпусом прибора. Малые размеры Touch Probe позволяют встраивать его непосредственно в контроллер, прикреплять на любую поверхность или использовать в виде отдельного устройства. Взаимодействие с прибором обеспечивается моментальным касанием с корпусом iButton.

Электронные ключи.

Альтернативой смарт-картам являются USB-токены (ключи), которые, в большинстве своем, используют те же самые процессоры, изготовляются в соответствии со стандартом, который разрабатывался для смарт-карт и очень близки к ним функционально. Для использования смарт-карт необходимо специальное считывающее устройство, стоящее несколько десятков или даже сотен долларов, то есть обходится дороже USB-интерфейса, которым снабжаются сейчас все современные компьютеры. Сами же смарт-карты дешевле USB-ключа. Поэтому в том случае, когда одно считывающее устройство предназначено для нескольких пользователей, смарт-карты могут быть более выгодны.

Биометрические системы контроля доступа.

Применение средств гарантированного удаления информации с физических носителей.

Метод основан на физических свойствах магнитных носителей информации и применяется в полном объеме для быстрого и эффективного удаления с них информации, не составляющей государственную тайну.

  1. Средства защиты целостности информации.

Защита целостности и бесперебойности функционирования компонентов КС строится по следующим направлениям:

-обеспечение инженерно-технической защиты КС;

-обеспечения бесперебойного и безопасного электропитания КС;

-дублирование критически важных компонентов КС.

Методы и средства инженерно-технической защиты КС:

-применение автоматических средств пожаротушения;

-использование физических средств защиты каналов связи (стальные трубы, специальные кабели, короба и т.п.);

-использование ТС обработки информации в защищенном исполнении.

Методы и средства обеспечения бесперебойного и безопасного электропитания КС

Метод заключается в искусственном поддержании электропитания КС при исчезновении внешнего питающего напряжения, а также в обеспечении его номинального значения в условиях перепадов напряжения и внешних воздействий.

На практике используются:

-резервные линии электропитания;

-трансформаторные развязки;

-стабилизаторы переменного тока;

-устройства бесперебойного электропитания (UPS);

-генераторы переменного тока (дизельные или бензиновые);

-надежное заземление компонентов КС;

-средства защиты от НСВ по сети электропитания.

Под НСВ понимается преднамеренное создание резкого всплеска напряжения в сети питания с амплитудой, длительностью и энергией всплеска, способными привести к сбоям в работе оборудования или к его деградации. Для НСВ используют специальные технические средства (ТС), которые подключаются к сети непосредственно с помощью гальванической связи, через конденсатор или трансформатор.

Устройства защиты для 1 рубежа должны быть рассчитаны на НСВ от ТС с большим запасом энергии, так как эти ТС располагаются за пределами объекта и их массогабаритные показатели имеют второстепенное значение. Устройство защиты должно быть рассчитано на воздействие индуцированных напряжений от близких разрядов молнии с возможным импульсным током на входе устройства защиты 15..40 кА. Наиболее подходящими являются специально разработанные для защиты от НСВ помехозащищенные трансформаторные подстанции и суперфильтры.

Для III рубежа защиты лучшими в техническом отношении и по цене являются помехоподавляющие трансформаторы (трансфильтры) или сочетание корректора напряжения, ограничителя и фильтра. Существуют конструкции трансфильтров, которые обеспечивают работоспособность компьютера без сбоев и повреждений при воздействии мощной импульсной помехи с амплитудой до 10 кВ.

Дублирование критически важных компонентов КС.

Метод заключается в создании так называемого “горячего” резерва наиболее критичных с точки зрения жизнеспособности КС устройств и компонентов с целью его мгновенного включения в работу при выходе из строя основного. На практике встречаются следующие варианты метода:

-дублирование серверов (создание кластерных структур);

-резервирование физических носителей информации;

-зеркалирование “винчестеров”;

-использование дисковых RAID-систем;

-установка в серверах дисков с возможностью “горячей” замены;

-резервирование блоков питания серверов;

-дублирование датчиков рабочих параметров серверов (температуры, вращения вентиляторов).

 

Дисциплина «Сети ЭВМ и телекоммуникации» (Конкин В.В.)

  1. Физические среды, используемые для организации каналов передачи данных, их характеристики и особенности применения.

  2. Принципы работы, варианты построения и оборудование сетей Ethernet (switch, bridge).

  3. Принципы работы IP-сетей. Адресация, маршрутизация.

  4. Назначение и структура модели ISO OSI.

  5. Электронная почта в Internet. Структура сообщения. Транспорт.

  6. Принципы работы WWW.

  7. Виды топологии компьютерных сетей.

 

1. Физические среды, используемые для организации каналов передачи данных, их характеристики и особенности применения.

Канал передачи данных (линия связи) (рис. 2) состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи дан­ных и промежуточной аппаратуры.

Физическая среда передачи данных (medium) может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через кото­рые распространяются электромагнитные волны.

В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на следую­щие:

  • проводные (воздушные);

  • кабельные (медные и волоконно-оптические);

  • радиоканалы наземной и спутниковой связи.

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и вися­щие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передаются телефонные или телеграфные сигналы/Скоростные качества и помехоза­щищенность этих линий оставляют желать много лучшего. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными.

Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коак­сиальные кабели с медной жилой, а также волоконно-оптические кабели.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое количество различных типов радио­каналов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала.

Аппаратура пользователя линии связи, вырабатывающая данные для передачи по линии связи и подключаемая непосредственно к аппаратуре передачи данных, обобщенно носит название оконечное оборудование данных (ООД или DTE — Data Terminal Equipment). Примером DTE могут служить компьютеры или маршрутиза­торы локальных сетей. Эту аппаратуру не включают в состав линии связи.

К основным характеристикам линий связи относятся:

  • амплитудно-частотная характеристика;

  • полоса пропускания;

  • затухание;

  • помехоустойчивость;

  • перекрестные наводки на ближнем конце линии;

  • пропускная способность;

  • достоверность передачи данных;

  • удельная стоимость.

Типы сетей

  • l локальные сети,

  • l распределенные сети,

  • l региональные сети,

  • l сети хранилищ данных,

  • l виртуальные частные сети,

  • l внутренние и внешние сети предприятия.

Медные проводники

  • l наиболее распространенная среда

  • передачи данных,

  • l высокая электропроводность,

  • l устойчивость против коррозии,

  • l эластичность,

  • l ковкость,

  • l прочность.

Типы медных кабелей для сетевых устройств:

  • l витая пара (Twisted Pair),

  • l коаксиальный кабель (Coaxial cable).

Спецификации (стандарты) кабелей

  • l IEEE 802.3 – стандарт для сетей Ethernet,

  • l IEEE 802.5 – стандарт для построения сетей на основе технологии Token Ring,

  • l TIA/EIA 568-A – стандарт телекоммуникационной кабельной структуры офисного здания (мин. требования, топология, ограничения по длине, среды передачи данных, параметры разъемов, распайка и др.),

  • l TIA/EIA 568-B – общий стандарт кабельной системы (неэкранированная и экранированная витая пара, моделирование процессов передачи, измерительные процедуры, ВОЛС и др.) .

  • l TIA/EIA 606-А – стандарт управления телекоммуникационной кабельной структурой офисного здания, содержит правила маркировки кабелей и др.

  • l TIA/EIA 607 – стандарт описывает правила заземления кабельных оболочек или брони кабельной системы офисного здания.

  • A — оболочки (служит для изоляции и защиты от внешних воздействий) из светостабилизированного (то есть устойчивого к ультрафиолетовому излучению солнца) полиэтилена, поливинилхлорида, повива фторопластовой ленты или иного изоляционного материала;

  • B — внешнего проводника (экрана) в виде оплетки, фольги, покрытой слоем алюминия пленки и их комбинаций, а также гофрированной трубки, повива металлических лент и др. из меди, медного или алюминиевого сплава;

  • C — изоляции, выполненной в виде сплошного (полиэтилен, вспененный полиэтилен, сплошной фторопласт, фторопластовая лента и т. п.) или полувоздушного (кордельно-трубчатый повив, шайбы и др.) диэлектрического заполнения, обеспечивающей постоянство взаимного расположения (соосность) внутреннего и внешнего проводников;

  • D — внутреннего проводника в виде одиночного прямолинейного (как на рисунке) или свитого в спираль провода, многожильного провода, трубки, выполняемых из меди, медного сплава, алюминиевого сплава, омеднённой стали, омедненного алюминия, посеребренной меди и т. п.

Основные свойства коаксиального кабеля

  • пропускная способность – от 10 до 100 Мбит/с,

  • средняя стоимость узла – невысока,

  • размеры кабеля и контактных разъемов – средние,

  • максимальная длина кабеля – не превышает 500 м.

«Толстый» коаксиальный кабель

  • max диаметр – 1 см,

  • имеет меньшее затухание, лучшую помехозащищенность, что обеспечивает возможность работы на больших расстояниях,

  • плохо гнется, что затрудняетпрокладку соединений в помещениях,

  • дороже "тонкого".

«Тонкий» коаксиальный кабель

  • диаметр центрального проводника=0,35 см,

  • широко используется в Ethernet,

  • «дешевый коаксиальный кабель».

Характеристики «витой пары»

  • используются в телефонных сетях и в сетях Ethernet,

  • пара проводников формирует электрическую цепь, по которой передаются данные,

  • проводники каждой пары переплетены и перекручены: для защиты от наводок от соседних пар (применение эффекта компенсации магнитного поля), для отфильтровки помех.

Типы «витой пары»

  • экранированная (Shielded Twisted Pair- STP),

  • неэкранированная (Unshilded TwistedPair).

Характеристики экранированной витой пары

  • пропускная способность – от 10 до 100 Мбит/с,

  • средняя стоимость из расчета на одно рабочее место – умеренная,

  • размеры кабеля и разъема для соединения – средние,

  • максимальная длина кабеля – 100 м.

Неэкранированная витая пара

  • пропускная способность от 10 до 1000mМбит/с,

  • средняя стоимость из расчета на одно рабочее место – минимальная,

  • размеры кабеля и разъема для соединения – малые,

  • максимальная длина кабеля – 100 м

Характеристики оптической среды передачи данных

  • оптическое волокно не подвержено электромагнитным помехам и перекрестным

наводкам, не создает электромагнитного излучения,

  • максимальная пропускная способность,

  • позволяют передавать данные на большие расстояния,

  • передача данных самая безопасная,

  • дешевле медных для передачи на большие расстояния,

  • изготавливаются из песка – недорогие,

  • не требуют заземления,

  • имеют маленькую массу, просты в установке,

  • стойки к воздействию влаги.


2. Принципы работы, варианты построения и оборудования сетей ETHERNET.

Современные технологии обеспечивают более высокую скорость передачи (10 Мбит/сек - Ethernet, 16 Token Ring, 100 - FDDI) по сравнению с более ранними решениями, повышая производительность Вашей работы. Кроме того, эти решения являются признанными стандартами и широко распространены, что значительно упростит расширение Вашей сети в будущем.

Ethernet, как описано в стандарте IEEE 802.3, представляет собой компьютерную сеть, основанную на использовании метода CSMA/CD (множественный доступ к среде с детектированием несущей и обнаружением конфликтов) при передаче электрических сигналов по соединяющему компьютеры кабелю. Метод CSMA/CD обеспечивает каждой станции возможность передачи данных в сетевой кабель. Прежде, чем начать передачу данных, станция должна "прослушать среду" определить не используется ли кабель в данный момент другой станцией. Если сеть занята, станция повторяет попытку по истечении случайного интервала времени. Если же среда свободна, станция начинает передачу данных.

Стандарт IEEE 802.3 содержит несколько спецификаций, отличающихся топологией и типом используемого кабеля. Например, 10BASE-5 использует толстый коаксиальный кабель, 10BASE-2 тонкий, а 10BASE-F, 10BASE-FB, 10BASE-FL и FOIRL используют оптический кабель. Наиболее популярна спецификация IEEE 802.3I 10BASE-T, в которой для организации сети используется кабель на основе неэкранированных скрученных пар с разъемами RJ-45.

Вам потребуется по крайней мере сетевая операционная система, обеспечивающая разделение ресурсов в сети. Сетевая ОС определяет "язык", на котором общаются между собой сетевые устройства. Сетевые средства могут быть встроены в операционную систему (например, Apple или UNIX) или добавляться к ней как LANtastic или Windows for Workgroups. Кроме сетевой ОС потребуются сетевые адаптеры, кабель и разъемы, обеспечивающие соединение компьютеров.

Однако, это еще не все. Возможно, наиболее важной (и дорогой) частью Вашей сети станет концентратор (хаб) устройство, являющееся "центром" сети и обеспечивающее соединение компьютеров друг с другом. Концентраторы отличаются один от другого числом портов, обеспечивающих подключение компьютеров и возможностями наращивания. Для начала Вам просто нужно купить концентратор с достаточным для Вас числом портов. По мере расширения сети вы сможете просто добавлять в нее новые концентраторы или другие устройства типа мостов, маршрутизаторов или коммутаторов. При достаточно большой сети Вам наверняка потребуются средства сетевого управления.

История создания Ethernet

первоначально идея технологии родилась в начале 70-х годов 20 в. в связи с

необходимостью использования двумя или более пользователями одной и той же передающей среды без наложения их сигналов (университет штата Гавайи),

позднее идея подхвачена Робертом Меткалфом и компанией Xerox,

в 1980 г. опубликован первый стандарт Ethernet,

появился стандарт 802.3

Ethernet

  • Технология Ethernet наиболее распространена в ЛВС. 60-80% всех компьютеров находятся в сетях Ethernet.

  • Ethernet реализует метод CSMA/CD (множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий).

  • Метод CSMA/CD предполагает, что все устройства взаимодействуют в одной среде, в каждый момент времени может передавать только одно устройство, а принимать могут все одновременно.

  • Если два устройства пытаются передавать одновременно, то происходит столкновение передач, и оба устройства после случайного (краткого) периода ожидания пытаются вновь выполнить передачу.

В настоящее время унифицировано несколько вариантов сети Ethernet, различающихся топологией и особенностями физической среды передачи данных.

  • Вариант Thick Ethernet (шина "с толстым" кабелем); принятое обозначение варианта 10Base-5, где первый элемент "10" характеризует скорость передачи данных по линии 10 Мбит/с, последний элемент "5" – максимальную длину сегмента (в сотнях метров), т.е. 500 м; другие параметры: максимальное число сегментов 5; максимальное число узлов на одном сегменте 100; минимальное расстояние между узлами 2,5 м. Здесь под сегментом кабеля понимается часть кабеля, используемая в качестве линии передачи данных и имеющая на концах согласующие элементы (терминаторы) для предотвращения отражения сигналов.

  • Вариант Thin Ethernet (шина "стонким" кабелем, cheapernet); принятое обозначение 10Base-2: максимальное число сегментов 5; максимальная длина сегмента 185 м; максимальное число узлов на одном сегменте 30; минимальное расстояние между узлами 0,5 м; скорость передачи данных по линии 10 Мбит/с.

  • Сетевая технология - это согласованный набор стандартных протоколов и реализующих их программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети.

  • Иногда сетевые технологии называют базовыми технологиями, имея в виду то, что на их основе строится базис любой сети. Примерами базовых сетевых технологий могут служить наряду с Ethernet такие известные технологии локальных сетей как, Token Ring и FDDI, или же технологии территориальных сетей Х.25 и frame relay. Для получения работоспособной сети в этом случае достаточно приобрести программные и аппаратные средства, относящиеся к одной базовой технологии - сетевые адаптеры с драйверами, концентраторы, коммутаторы, кабельную систему и т. п., - и соединить их в соответствии с требованиями стандарта на данную технологию.

  • Основной принцип, положенный в основу Ethernet, - случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны

  • Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой «общая шина» С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными. Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами - сетевыми адаптерами Ethernet. Каждый компьютер, а более точно, каждый сетевой адаптер, имеет уникальный адрес. Передача данных происходит со скоростью 10 Мбит/с. Эта величина является пропускной способностью сети Ethernet.

  • Ethernet, как описано в стандарте IEEE 802.3.Стандарт IEEE 802.3 содержит несколько спецификаций, отличающихся топологией и типом используемого кабеля. Например, 10BASE-5 использует толстый коаксиальный кабель, 10BASE-2 тонкий, а 10BASE-F, 10BASE-FB, 10BASE-FL и FOIRL используют оптический кабель. Наиболее популярна спецификация IEEE 802.3I 10BASE-T, в которой для организации сети используется кабель на основе неэкранированных скрученных пар с разъемами RJ-45.

  • Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной длины. Другие базовые технологии, например Token Ring, для создания даже небольшой сети требуют наличия дополнительного устройства - концентратора.

  • Оборудование распределенных сетей
  • Сетевая карта (сетевой адаптер, Ethernet-адаптер, NIC (network interface card)) – печатная плата, позволяющая подключаться к компьютерной сети. На современных материнских платах, сетевой адаптер все чаще является встроенным, таким образом, покупать отдельную плату не нужно до тех пор, пока не требуется организация ещё одного сетевого интерфейса.

  • На сетевой плате для подключения к локальной сети имеются разъёмы для подключения кабеля витой пары (например, RJ-45), а также несколько информационных светодиодов, сообщающих о наличии подключения и передаче информации.

  • Сетевой коммутатор, или свитч (switch - переключатель) – устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. В отличие от концентратора (hub), который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передает данные только непосредственно получателю. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

  • Витая пара (англ. twisted pair) – вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), для уменьшения взаимных наводок при передаче сигнала, и покрытых пластиковой оболочкой. Один из компонентов современных структурированных кабельных систем. Используется в телекоммуникациях и в компьютерных сетях в качестве сетевого носителя во многих технологиях, таких как Ethernet, ARCNet и Token ring. В настоящее время, благодаря своей дешевизне и лёгкости в установке, является самым распространённым для построения локальных сетей.

  • Кабель подключается к сетевым устройствам при помощи соединителя RJ-45, немного большим, чем телефонный соединитель RJ11.

  • Повторители (Repeater) - усиливают полученный из кабельного сегмента сигнал и передают его в другой сегмент. (объединяют идентичные ЛВС; простое усиление сигналов. )

  • Мосты (Bridge) передают сообщения на основе записей в таблице пересылки. (Возможность фильтрации сетевого трафика; сохраняет информацию о всех узлах; соединяет идентичные или разные сети (например, Ethernet и Token Ring).

  • Маршрутизаторы (Router) обеспечивают выбор маршрута обмена данными между узлами сети. (Принимает решение о выборе "лучшего пути"; Дистанция обычно оценивается в интервалах (hop) - промежутках между двумя соседними маршрутизаторами на пути от отправителя к получателю.)

3. Принципы работы IP-сетей. Адресация, маршрутизация.

Протокол IP является основным протоколом сетевого уровня. Он обеспечивает единую схему логической адресации устройств и маршрутизацию данных (определение последовательности сетей, через которые должны пройти данные, чтобы достичь получателя) в сетях, базирующихся на разных сетевых технологиях.

Каждый узел в Интернете имеет свой собственный уникальный адрес – IP-адрес, позволяющий связаться с ним любому другому узлу Сети. IP-адрес – это 32-битное число (например, 11010101100000001100000110011010), однозначным образом определяющее узел Сети (компьютер или другое устройство). Для удобства записи он обычно разделяется на 4 числа (байта) по 8 бит в каждом и каждое число записывается в десятичной системе счисления; значения чисел разделяются точками. Например, вышеприведенный IP-адрес записывается как 213.128.193.154. Соотношение между физическими и логическими узлами можно описать следующим образом: одно и тоже физическое устройство (компьютер и др.) может иметь несколько IP-адресов, т.е. соответствовать нескольким логическим узлам. Обычно такая ситуация возникает, если устройство имеет несколько сетевых адаптеров и (или) модемов, поскольку с каждым из них должен быть связан как минимум один уникальный IP-адрес. Также нередко компьютеру, имеющему один сетевой адаптер или модем, может быть присвоено несколько IP-адресов.

IP-адреса делятся на 5 классов: A, B, C, D и E. Класс определяется специальным информационным полем (идентификатором класса), находящимся в структуре адреса. Значение оставшейся части адреса трактуется в зависимости от его класса. Диапазон адресов класса E зарезервирован и в настоящее время не используется. Адреса класса D представляют собой групповые адреса и назначаются группам узлов (используются для так называемой многоадресной рассылки). Адреса первых трех классов (A, B, C) предназначены для адресации отдельных узлов (компьютеров и др. устройств). Структурно адреса классов A, B, C состоят из трех частей: идентификатора класса, номера сети (число, уникальным образом определяющее сеть, которой принадлежит узел; все узлы, относящиеся к одной сети имеют одинаковые номера) и номера узла (число, определяющее узел сети; для узлов одной сети, определяемой номером сети IP-адреса, соблюдается уникальность номеров узлов)

Узлы имеющие один и тот же номер сети в IP-адресе образуют так называемые логические сети (IP-сети). Связь между логическими сетями осуществляют шлюзы. Шлюзы, которые только перенаправляют данные из одной IP-сети в другую, называются маршрутизаторами, а процесс целенаправленной доставки данных между IP-сетями – маршрутизацией.

IP-маршрутизация – процесс выбора пути для передачи блока данных в сети. Под путем (маршрутом) понимается последовательность маршрутизаторов, через которые проходит блок данных по пути к узлу-назначения. Маршрутизатор должен иметь несколько IP-адресов с номерами сетей, соответствующими номерам объединяемых сетей. Маршрутизация осуществляется на узле-отправителе в момент отправки блока данных, а затем на IP-маршрутизаторах. Для каждого блока данных маршрутизатор принимает решение об оптимальном пути его следования (рис. 1.3). При этом географически самый короткий путь не всегда оказывается оптимальным (например, быстрый канал через другой континент может быть лучше прямого медленного канала в соседний город). Скорость и пути прохождения разных блоков данных могут быть различными (т.е. Сеть может распределять нагрузку по различным участкам и, если какой-то участок оборудования поврежден, блок данных может быть передан по другому пути).

Таким образом, протокол сетевого уровня IP и транспортный протокол TCP реализуют двухуровневую схему адресации: номера TCP-портов позволяют однозначно идентифицировать программу в рамках узла, однозначно определяемого IP-адресом. Следовательно, комбинация IP-адреса и номера порта позволяет однозначно идентифицировать программу в сети Интернет.

Протоколы канального уровня обеспечивают безошибочную передачу блоков данных через физический уровень, т.е. по различным каналам связи (телефонная линия, оптоволокно и т.д.). На данном уровне используются протоколы SLIP и PPP.

Каждый компьютер, входящий в состав Интернета, имеет адрес из четырех блоков, например: 193.29.137.31. Этот адрес называется IP-адресом.

Компьютеры, входящие в Сеть на постоянной основе, имеют постоянный IP-адрес. Компьютеры пользователей, которые подключаются к Сети на время сеанса, получают временный IP-адрес, который действует только на время данного сеанса. Такой IP-адрес называется динамическим IP-адресом

Зная IP-адрес любой удаленной компьютерной системы, к ней можно обратиться с запросом. Это может быть и запрос на поставку каких-то хранящихся в ее составе документов, и запрос на подключение к какой-то программе, и запрос на использование оборудования, входящего в состав

компьютерной системы.

4. Назначение и структура модели ISO OSI.

Модель ISO/OSI

При реализации сетей стремятся использовать стандартные протоколы. Это могут быть фирменные, национальные или международные стандарты. Международная Организация по Стандартам (International Standards Organization, ISO) разработала модель, которая четко определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какую работу должен делать каждый уровень. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) или моделью ISO/OSI. В модели OSI взаимодействие делится на семь уровней или слоев (рис. 1.1). Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия. Таким образом, проблема взаимодействия декомпозирована на 7 частных проблем, каждая из которых может быть решена независимо от других. Каждый уровень поддерживает интерфейсы с выше- и нижележащими уровнями.

Рис. 1.1. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

Функции уровней модели ISO/OSI

Физический уровень. Этот уровень имеет дело с передачей битов по физическим каналам, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, такие как требования к фронтам импульсов, уровням напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных на кабеле, и другие характеристики среды и электрических сигналов.

Канальный уровень.

Задачи канального уровня:

  • проверка доступности среды передачи;

  • реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок (для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames)).

Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.

В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.

Примерами протоколов могут служить широко распространенные протоколы PPP и LAP-B.

Сетевой уровень. Этот уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи информации между конечными узлами. На этом уровне вводится понятие "сеть". В данном случае под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии. Таким образом, внутри сети доставка данных регулируется канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень. Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packets). При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие "номер сети". В этом случае адрес получателя состоит из номера сети и номера компьютера в этой сети. Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами.. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией и ее решение является главной задачей сетевого уровня. На сетевом уровне определяется два вида протоколов:

  • правил передачи пакетов с данными конечных узлов от узла к маршрутизатору и между маршрутизаторами;

  • называемых протоколами обмена маршрутной информацией.

Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.

Транспортный уровень. Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети - компонентами их сетевых операционных систем. В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека Novell.

Сеансовый уровень. Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, вместо того, чтобы начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется.

Уровень представления. Этот уровень обеспечивает гарантию того, что информация, передаваемая прикладным уровнем, будет понятна прикладному уровню в другой системе. При необходимости уровень представления выполняет преобразование форматов данных в некоторый общий формат представления, а на приеме, соответственно, выполняет обратное преобразование. Таким образом, прикладные уровни могут преодолеть, например, синтаксические различия в представлении данных. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных сервисов. Примером протокола, работающего на уровне представления, является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень. Прикладной уровень - это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

Существует очень большое разнообразие протоколов прикладного уровня. Приведем в качестве примеров хотя бы несколько наиболее распространенных реализаций файловых сервисов: NCP в операционной системе Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.

Модель OSI представляет хотя и очень важную, но только одну из многих моделей коммуникаций. Эти модели и связанные с ними стеки протоколов могут отличаться количеством уровней, их функциями, форматами сообщений, сервисами, предоставляемыми на верхних уровнях и прочими параметрами.

5. Электронная почта в Internet. Структура сообщения. Транспорт.

Электронная почта (e-mail) – это служба глобальной сети, при помощи которой передаются сообщения. Для обмена сообщениями (письмами) у пользователей должны быть адреса электронной почты. Адрес электронной почты можно узнать при личной встрече с человеком, по телефону, либо можно узнать его из рекламы или других источников.

Обычный адрес электронной почты в Интернете выглядит так:

ivanov@

где ivanov – это имя пользователя, а адрес компьютера (домен) в сети Интернет, на котором зарегистрирован данный пользователь. Для разделения имени пользователя и адреса компьютера служит знак «@» (читается «эт», получил название «собака», «обезьяна» и др.).

Адрес электронной почты обычно предоставляется пользователю провайдером (если пользователь подключился к Интернету самостоятельно) или администратором сети, в которой находится компьютер (в случае, если пользователь использует электронную почту в организации). Кроме этого, в сети Интернет есть возможность бесплатно создать собственный почтовый ящик, который не зависит от провайдера или места работы и к которому можно обращаться (читать входящую почту и отправлять электронные сообщения) с любого компьютера, подключенного к Интернету. Данная возможность предоставляется такими почтовыми службами Интернета, как (http://mail.ru), (http://email.ru) и др.

Для работы с электронной почтой в глобальной сети используются протоколы SMTP и POP3, которые реализуются специальным программным обеспечением, называемым почтовый сервер и почтовый клиент.

Протокол SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) поддерживает передачу сообщений между почтовыми серверами глобальной сети и имеет механизмы промежуточного хранения почты и повышения надежности доставки.

Почтовый сервер отвечает за прием всех сообщений, идущих на определенное доменное имя (в приведенном выше примере – ). Для каждого пользователя (почтового ящика) на сервере заводится специальный файл, в который помещаются поступающие сообщения в ожидании того, когда пользователь соединится с сервером для их получения. Также сервер рассылает адресатам сообщения, поступившие от его пользователей. Предварительно он выясняет в службе имен доменов (DNS), какой сервер отвечает за прием сообщений на доменное имя адресата (например, сообщения с адресами someman@ принимаются сервером ), после чего устанавливает с этим сервером связь по протоколу SMTP.

POP3 (Post Office Protocol) дает пользователю доступ к пришедшим к нему электронным сообщениям, т.е. осуществляет связь между компьютером пользователя и почтовым сервером, на котором зарегистрирован почтовый ящик пользователя.

Не имеет значения, с какого именно компьютера пользователь будет связываться с почтовым сервером, на котором у него зарегистрирован почтовый ящик, для получения почты и как далеко этот компьютер находится от сервера. Нужно только, чтобы компьютер пользователя был подключен к глобальной сети и на нем была установлена почтовая программа (клиент), поддерживающая протокол POP3. Такими программами являются Microsoft Outlook Express (/windows/ie_intl/ru/), Netscape Mail () и The Bat! (/the_bat/).

Транспортная подсистема (подсистема маршрутизации сообщений) осуществляет пересылку сообщений от одного почтового ящика к другому. Для многих систем электронной почты разработаны собственные транспортные подсистемы. Имеется несколько общепринятых стандартов на них:

  • х 400 — международный стандарт, поддерживает звук, графику и мультимедиа;

  • SMTP — простой протокол пересылки электронной почты, является основным в сети Интернет.

Отправление сообщений по электронной почте состоит из следующих процедур:

  • установление связи с компьютером, сетью или системой электронной почты;

  • указание адреса получателя сообщения;

  • подготовка сообщения;

  • отправление сообщения.

В зависимости от системы электронной почты и местонахождения получателя сообщение может быть получено немедленно, если система работает в режиме непосредственного подключения — online, или в течение некоторого периода (суток), если установлен автономный режим (режим отложенной передачи) — offline.

Сообщение в электронной почте состоит из заголовка и тела. Заголовок обычно включает:

  • уникальный идентификационный номер сообщения;

  • адрес отправителя сообщения;

  • адрес получателя сообщения (получателей может быть несколько);

  • тему сообщения;

  • время и дату отправления сообщения.

В заголовок может вставляться информация о маршруте — узлах сети, через которые будет передано сообщение.

Тело представляет собой содержательную часть сообщения. Иногда в конец сообщений автоматически добавляется некоторая информация (сигнатура), например адрec или электронная подпись, удостоверяющая отправителя. Обеспечение безопасности — введение пароля, шифрование информации.

Возможности электронной почты могут быть использованы в Интернете. При этом используется система адресов, базирующаяся на доменном адресе компьютера, подключенного к Интернету. Адрес состоит из двух частей: идентификатора пользователя и доменного адреса компьютера.

6. Принцип работы WWW. Основные сервисы сети ИНТЕРНЕТ.

Ответ.

Интернет – это компьютерная сеть, позволяющая узлам обмениваться информацией.

Основными сервисами Internet на сегодняшний день являются следующие:

  • Всемирная паутина (www)

  • Электронная почта (E-Mail)

  • Файловые архивы FTP

  • Gopher

  • Телеконференции

  • Telnet

  • Основы общения в Internet

Всемирная паутина (world wide web) - это система документов, включающих текстовую и графическую информацию, размещенных на узлах Internet и связанных между собой гиперссылками. Пожалуй, именно эта услуга - самая популярная и у многих пользователей является синонимом самого слова INTErNET.

Электронная почта (e-mail) - один из наиболее широко используемых видов сервиса в Internet, это система почтовых серверов, также организованная на всех узлах Internet и позволяющая передавать от одного пользователя другому электронное письмо, в которое может быть включен текст, рисунки и вообще любая информация.Электронные сообщения легко посылать и читать, на них легко отвечать, ими легко управлять.Электронная почта оперативна и удобна. В процессе своего развития она из простого сервиса, предлагаемого исследователям для обмена идеями и результатами разработок, превратилась в сложную систему.

Tелеконференции. Система телеконференций появилась как средство общения групп людей со сходными интересами. Со времени своего появления она широко распространилась, став одним из самых популярных сервисов Internet. Этот вид сервиса напоминает списки рассылки Internet, за тем исключением, что сообщения не отправляются всем подписчикам данной телеконференции, а помещаются на специальные компьютеры, называемые серверами телеконференций или news-серверами. После этого подписчики телеконференции могут прочитать поступившее сообщение и, при желании, ответить на него.

 Гостевые книги. Первая и самая простая форма организации общения в виде web-приложений. Простейшая гостевая книга представляет собой список сообщений, показанных от последних к первым. Каждый посетитель может оставить свое сообщение.

  Форумы. Эта форма общения является практически прямой реализацией идеологии телеконференций. Сообщения пользователей в форумах группируются по темам, которые задаются, как правило, первым сообщением. Все посетители могут увидеть тему и разместить свое сообщение — в ответ на уже написанные. Исторически первые форумы появились как усовершенствование гостевых книг и организовывали сообщения в ветви — так же, как и в телеконференциях. Самым распространенным видом форумов сейчас являются форумы табличные, в которых обсуждение темы идет линейно, — это позволяет быстрее прочесть обсуждение. Как правило, темы группируются в тематические форумы, управление системой осуществляют администраторы и модераторы.

 Блоги (от англ. web log — web-журнал, web-протокол). В этих сервисах каждый участник ведет журнал — т.е. оставляет записи в хронологическом порядке. Темы записей могут быть различными; самый распространенный подход — это ведение блога как собственного дневника. Другие посетители могут оставлять комментарии на эти записи. Чаще всего блог ведут не на своем отдельном сайте (хотя исторически именно эта форма была первой), а в рамках крупной системы, похожей на общедоступный почтовый сервис.

Социальная сеть – это виртуальная сеть, являющаяся средством обеспечения сервисов, связанных с установлением связей между его пользователями, а также разными пользователями и соответствующими их интересам информационными ресурсами, установленными на сайтах глобальной сети.  Социальные сервисы представляют собой онлайновые инструменты, с помощью которых пользователи могут не только общаться между собой, но и сами создавать контент веб-страниц. Создание единого Web 2.0 (Веб второго поколения) характеризует  информационное пространство, состоящее из множества информационных единиц, сети документов, которые распределены по различным сайтам и сервисам.  Эта сеть превращается в сеть данных, поиск которых производится пользователями с применением наиболее удобных для них инструментов, интерфейсов, технологий и сервисов, которые обеспечивают доступ к содержимому сайтов.

В Интернете наиболее часто используются следующие службы: WWW, электронная почта, FTP-ресурсы, группы новостей и Telnet.

Наиболее распространенной и популярной службой является WWW (World Wide Web, Веб, Всемирная паутина). Особенность службы состоит в том, что файлы (документы), из которых она состоит, могут содержать ссылки (гиперссылки) на файлы из данной или какой-либо другой службы. Это дает возможность при просмотре некоторого файла легко и быстро переходить к другой связанной с ним по смыслу информации, которая может быть текстом, изображением, звуковым файлом или иметь любой другой вид. При этом связанные ссылками файлы могут быть расположены в разных местах земного шара. Файлы, доступные через службу WWW, обычно создаются с использованием языка HTML. Данная служба включает документы из самых различных областей знания.

Доступ к службе, представляемой определенным сервером сети Интернет, осуществляется указанием полного адреса этого информационного ресурса, который называется URL (Uniform Resource Locator).

URL состоит из префикса определяющего тип службы, к которой относится информационный ресурс, и протокол, который будет использоваться для связи с этим ресурсом и непосредственно адреса информационного ресурса. Протоколы для перечисленных служб Интернета и использующиеся для них обозначения в URL-адресе представлены в табл. 1.3.

Префиксы
URL-адреса

Служба

Протоколы

«http://» или «https://»

WWW

HTTP (Hypertext Transfer Protocol) или
HTTPS (Hypertext Transfer Protocol, Secure)

«mailto:»

E-mail

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) и
POP3 (Post Office Protocol)

«ftp://»

FTP-ресурсы

FTP (File Transfer Protocol)

«news://» или «news:»

Группы новостей

NNTP (Net News Transfer Protocol)

«telnet://»

Telnet

Telnet

7. Виды топологии компьютерных сетей. 

Этот классификационный признак определяет схемы соединения компьютеров в сети.

Топология сети:)

  • определяет способ соединения в одну сеть различных устройств

  • (компьютеры, принтеры и др.),

  • описывает расположение кабелей и устройств, маршруты, служащие для передачи данных,

  • определяет характер работы сети.

Физическая топология –определяет физическое расположение устройств и соединения передающей среды.

Логическая топология –определяет, каким образом рабочие станции получают доступ к передающей среде для отправки данных.

Типы физических топологий сетей

  • шинная,

  • кольцевая,

  • звездообразная,

  • расширенная звездообразная,

  • иерархическая,

  • полносвязная.

Шинная топология

  • часто называется линейной шиной,

  • предполагает соединение всех устройств одним кабелем,

  • главный кабель сегмента заканчивается специальным терминатором, который поглощает сигнал, когда тот достигает конца линии.

Звездообразная топология (star topology)

  • самая используемая в локальных и ираспределенных сетях,

  • состоит из центральной соединительной точки (концентратор, коммутатор, маршрутизатор) и расходящихся от нее сегментов кабелей,

  • работоспособна при повреждении любого из сегментов кабелей,

  • неработоспособна при выходе из строя центрального уcтройства.

Расширенная звездообразнаятопология (extended-star topology).

сеть со звездообразной топологией расширяется для включения дополнительных сетевых устройств, подсоединенных к главному сетевому устройству (центральной точке).

Кольцевая топология (ringtopology)

  • рабочие станции соединены между собой, образую непрерывное кольцо,

  • сеть не имеет начала и конца, не требует терминаторов,

  • использует для передачи данных специальный фрейм, который перемещается по кольцу, останавливаясь на каждом узле(невозможность коллизий!!!)

Типы кольцевой топологии

  • одиночное кольцо – все устройствасети используют один кабель, данные перемещаются в одном направлении,

  • двойное кольцо – данные могут посылаться в двух направлениях, более надежное («сворачивание» -wrap).

Иерархическая топология(hierarchical topology)

  • аналогична расширенной звездообразной топологии, но отсутствует центральный узел,

  • ипользуется магистральный узел (trank node), от которого отходят ветви (branches) к другим узлам.

Полносвязная топология (full mech topology)

  • все устройства (узлы) соединены друг с другом, что обеспечивает избыточность и устойчивость к сбоям.

  • Если один канал выходит из строя, то существует много других маршрутов, позволяющих передавать данные в нужный пункт назначения !

Недостатки полносвязной топологии

  • количество соединений очень большое,

  • реализация такой сети очень дорогостоящая и трудно реализуемая.

Виды логической топологии сетей

  • lшироковещательная топология – каждая рабочая станция направляет по сетевой среде свои данные на конкретный NIC по адресу многоадресной рассылки или по широковещательному адресу, порядок передачи по сети данных станциями не устанавливается(Ethernet),

  • топология, использующая передачу маркера – доступ к сети путем последовательного предоставления маркера всем рабочим станциям. Когда станция получает маркер, она может отправить в сеть свои данные (Token Ring, FDDI).

Дисциплина «Мультимедиа-технологии» (Шкумат Е.В.)

  1. Понятие мультимедиа, характеристика основных составляющих.

  2. Виды графических файлов, основные особенности, условия использования.

  3. Понятие презентации, основные виды презентаций, условия и правила проведения успешной презентации. Условия отбора текстового и иллюстративного материала для презентаций.

  4. Основные типы мультимедиа-проектов.

1. Понятие мультимедиа, характеристика основных составляющих.

Мультимедиа - это сумма технологий, позволяющих компьютеру вводить, обрабатывать, хранить, передавать и отображать (выводить) такие типы данных, как текст, графика, анимация, оцифрованные неподвижные изображения, видео, звук, речь

Информационная мультимедиа-среда - Текстовая информация (информационные ресурсы) текст, гипертекст; аудиоряд, включает звуковое оформление различного типа; видеоряд. Статические видеоряд включает графику и фото, динамический- обычное видео, квазивидео и анимацию.

2. Виды графических файлов, основные особенности, условия использования.

BMP (Windows Device Independent Bitmap). Формат ВМР является родным форматом Windows, он поддерживается всеми графическими редакторами, работающими под ее управлением..

WMF (Windows Metafile). Еще один родной формат Windows. Служит для передачи векторов через буфер обмена (Clipboard)

GIF (CompuServe Graphics Interchange Format). Разработан фирмой CompuServe для передачи растровых изображений по сетям. GIF-формат позволяет записывать изображение "через строчку" (Interlaced), благодаря чему, имея только часть файла, можно увидеть изображение целиком, но с меньшим разрешением. Основное ограничение формата GIF состоит в том, что цветное изображение может быть записано только в режиме 256 цветов.

PNG (Portable Network Graphics). PNG  это сравнительно новый графический формат для представления растровых изображений для Сети, призванный заменить собой устаревший GIF. Использует сжатие без потерь, не обременен патентными ограничениями

JPEG (Joint Photographic Experts Group). Строго говоря, JPEG это не формат, а алгоритм сжатия, основанный не на поиске одинаковых элементов, а на разнице между пикселами. JPEG ищет плавные цветовые переходы. Вместо действительных значений JPEG хранит скорость изменения от пиксела к пикселу. Можно задать уровень компрессии. Чем выше уровень компрессии, тем больше данных отбрасывается и тем ниже качество. В JPEG следует сохранять только конечный вариант работы, потому что каждое пересохранение приводит к новым потерям (отбрасыванию) данных и превращения исходного изображения в кашу.

TIFF (Tagged Image File Format). Формат растровых графических файлов TIFF(Tagget Image File Format) был разработан фирмой Aldus Corporation для хранения графических изображений высокого разрешения, полученных с помощью сканера.

PSD (Adobe Photoshop Document)  родной формат популярного растрового редактора Photoshop.

CR (CorelDRAW Document)  родной формат векторного редактора CorelDRAW.

3. Понятие презентации, основные виды презентаций, условия и правила проведения успешной презентации. Условия отбора текстового и иллюстративного материала для презентаций.

Презентация – это эффективный инструмент, с помощью которого можно быстро, наглядно и нескучно рассказать аудитории о достаточно серьезных проектах. Важным параметром является время вашего выступления, от которого зависит количество визуального материала, которое вы покажете своим зрителям. Отдельный вариант представляет собой мультимедиа-презентации, которые демонстрируются, например, на выставке в течение нескольких часов (или дней), возможно, и без вашего присутствия. Рассмотрим объекты, которые может содержать презентация:

Текст  текстовые поля. Учтем, что презентация  это неофициальный документ, поэтому используйте текст как заголовки, пояснения, вставки, но не включайте в презентацию целые абзацы текста, публика не любит читать даже текст, который вы написали очень умно и очень красивым шрифтом.

Графические элементарные объекты  элементарные векторные графические объекты типа линий, прямоугольников, эллипсов, стрелок. Используйте их как элементы оформления, подчеркивающие наиболее важные вещи, используйте в качестве эмблем и заставок различные векторные групповые объекты, которые в изобилии содержатся в разнообразных ClipArt (галереях

типовых изображений). Графические изображения  фотографии, схемы, рисунки, именно эти объекты должны составлять визуальную базу презентаций. Подготовьте их с максимально возможным качеством и старанием. Схемы и рисунки изготовляйте с учетом, в каком конечном разрешении вы поместите их на страничку презентации.

Видеофрагменты. Вы можете вставить в презентацию оцифрованное видео. Если вы использовали цифровое видео, учтите, что это самый объемный ресурс мультимедиа, но зато и самый эффектный.

Интерактивные элементы управления (кнопки, меню)  очень важный элемент презентации. Необходимо предусмотреть, чтобы с любого кадра презентации вы могли попасть на другой кадр своей презентации.

Внутренняя логика презентации отличается дискретностью, т.е. отдельный слайд (или ограниченная группа слайдов) может и должен содержать вполне законченную мысль. Тем не менее эта мысль обязательно должна мягко вплетаться в общее содержание презентации.

В процессе создания презентации возникает необходимость разделения отобранной информации на достаточно завершенные логические фрагменты. Каждый слайд учебной презентации должен быть хорошо продуман, и его содержание должно подчиняться достаточно простым правилам.

Прежде всего, материал на слайде необходимо располагать максимально равномерно по всей площади, не оставляя крупных пустых пространств. Собственно материал можно разделить на основной и дополнительный. Основной материал необходимо выделить, чтобы он первым бросался в глаза при демонстрации слайда. Именно он должен нести основную смысловую нагрузку. Выделение можно осуществить размером объекта, цветом, спецэффектами, порядком появления на экране. Дополнительный материал предназначен для выделения, подчеркивания основной мысли слайда.

Презентация это целенаправленный информационный процесс, решающий свои задачи. Рекламная презентация. В этом случае презентация создается с целью рекламы, т.е. продвижения торговой марки компании, распространения информации о компании, повышения узнаваемости и повышения имиджа, размещения рекламы сопутствующих и дополняющих товаров, информационных ресурсов по данной теме.

Информационная презентация. Презентация может быть использована в качестве оболочки для удобного доступа к информации. Такая презентация может содержать чертежи, технические паспорта, руководства по эксплуатации и т.п. В этом случае презентация обеспечивает не только удобный доступ к информации, но и позволяет существенно экономить на тиражировании больших объемов информации.

Учебной презентацией следует называть симбиоз программных средств, воспроизводимых с помощью компьютера и объяснений преподавателя

4. Основные типы мультимедиа-проектов.

наиболее часто встречающие виды проектов.

Визитная карточка предприятия. Создает информационный и визуальный образы объекта презентации. Предназначена для потенциальных инвесторов, кредиторов, потребителей продукции или услуг. Используется инвестиционными компаниями, посредниками, PR-агентствами, для выставочных экспозиций, адресной рассылки, как бизнес-сувенир.

Каталог товаров или услуг. Используется для представления товаров, имеющих широкий, но относительно стабильный модельный ряд, большое число комплектующих и поставляемых по заказу (мебель, автомобили, коттеджи, военная техника, туристические поездки и т.д.). Дополняет (или заменяет) реальный прилавок виртуальным.

Каталог выставки. Помимо собственно каталога содержит демоверсии и рекламные ролики некоторых участников выставки. Обычно выпускается наряду с полиграфическим каталогом на компьютерных выставках. В последнее время такие каталоги начали делать и организаторы выставок другой тематики.

Приложение к печатному изданию. Обычно используется в компьютерной прессе и содержит рекламные ролики и демоверсии игр и программ, бесплатные и условно-бесплатные программы, исходные тексты программ (для учебников). Самостоятельно, как правило, не распространяется.

Рекламная рассылка. Содержит рекламу компании, товара или услуги, но чаще используется производителями программного обеспечения. Распространяется по почте, на выставках или в качестве бесплатного приложения к другому товару (компьютеры, компьютерные компоненты, программные пакеты).

Подарочное издание. Больше всего похоже на богато иллюстрированный электронный альбом с большим количеством видео хроники. В основном сосредоточено на истории объекта презентации.

Электронный фотоальбом.

Сd-визитки. Обычно это визитная карточка в виде CD-диска.

 мультимедиа-руководства для обучения;

 учебно-методические материалы для вузов (абитуриентов, студентов);

 справочники для специалистов (инженеров, ученых);

 информационные издания;

 сборники семинаров и конференций

 Дисциплина «Базы данных» (Копелиович Д.В.)

  1. Виды машинного представления данных. Преимущества представления данных  в виде баз данных.

  2. Понятие БД, СУБД, АБД. Основные характеристики АБД. Понятие и принципы создания БД.

  3. Виды представления БД (логическое и физическое). Модели данных. Преимущества и недостатки различных моделей данных.

  4. Понятие реляционной БД. Свойства реляционной таблицы.

  5. Организация работы с БД в сетях. Основы технологии “файл-сервер”, “клиент-сервер” при организации работы БД в сетях.

  6. Язык SQL. Основные функциональные возможности и преимущества SQL. Реляционные, булевы операторы в SQL.

 

  1. Виды машинного представления данных. Преимущества представления данных в виде баз данных.

Данные-это информация, представленная в виде, позволяющем автоматизировать ее сбор, хранение и обработку

БД – это совокупность структурированных данных, используемых несколькими ПП и хранящаяся с минимальной избыточностью.

1. Размещение данных непосредственно в теле прикладной программы (ПП).

- при обновлении данных необходимо модифицировать саму программу.

2. Размещение данных в файле данных (ФД).

+ ФД можно изменять независимо от ПП.

- данные рассчитаны на одну ПП.

- невозможно общаться пользователю с данными в диалоговом режиме.

3. Использование БД.

+ стандартные методы хранения данных.

+ доступ к данным имеет большое количество ПП и пользователей

  1. Понятие БД, СУБД, АБД. Основные характеристики АБД. Понятие и принципы создания БД.

БД – это совокупность структурированных данных, используемых несколькими ПП и хранящаяся с минимальной избыточностью.

СУБД – это программный комплекс, обеспечивающий создание структуры, ввод, модификацию, удаление, поиск данных и язык программирования с помощью которого формулируются перечисленные операции.

БД совместно с СУБД определяет АБД. (АБД=БД+СУБД)

Основные характеристики АБД (автоматизированный банк данных).

1. Гибкость АБД – возможность изменения организации и структуры БД без больших стоимостно-временных затрат. Обеспечение доступа к информации пользователям разных уровней.

2. Надежность – восстановление информации и программных средств АБД в случае их разрушения, а также выполнение стандартных или описанных пользователем действий на несанкционированный доступ или ошибочный запрос.

3. Наглядность – данные должны представляться пользователю в привычной и удобной форме.

4. Экономичность – исключение дублирования данных.

Принципы создания БД.

1. минимальная избыточность (экономичность) – каждый элемент данных вводится 1 раз и хранится в единственном экземпляре.

2. независимость – модификация данных и изменения, вносимые в их структуру в связи с появлением новых запросов пользователей не должны отражаться на ПП.

3. целостность данных (надежность) – логическая СУБД должна защищать БД от некорректных действий пользователя. Физическая – защита от сбоев путем дублирования.

4. секретность – пользователи должны работать только с теми данными, доступ к которым разрешен.

  1. Виды представления БД (логическое и физическое). Модели данных. Преимущества и недостатки различных моделей данных.

1. Логическое представление отражает состав и связи между элементами сведений без указания размещения информации на запоминающих устройствах.

2. Физическое представление отражает способ размещения информации на запоминающих устройствах.

Основные понятия:

1. Объект – то, о чем накапливается информация.

2. Атрибут – характеристика, свойство объекта, интересующее пользователя.

3. Экземпляр объекта – совокупность значений атрибутов, описывающих конкретную реализацию объекта.

4. Ключ – идентификатор записи – атрибут или совокупность атрибутов, значение которого однозначно определяют запись.

При отображении модели данных на языке СУБД используют понятия:

1. Файл – совокупность записей, принятой модели данных, размещенная на физическом носителе и имеющая имя.

2. Запись – совокупность полей, в которых хранятся значения атрибутов объектов.

3. Поле – фрагмент записи, содержащий значение одного атрибута, имеющий имя, тип, формат.

Модель данных, поддерживаемая СУБД – совокупность данных и связей между ними, удовлетворяющая декларациям и командам языков описания и манипулирования данными этой СУБД.

1. Иерархическая модель – структура, где создание записей производится на нескольких уровнях.

Каждая запись связана не более чем с одной записью верхнего уровня, и может иметь несколько связей с записями подчиненного уровня. Т.о. выражаются только вертикальные связи типа подчинение нижнего уровня верхнему. Между записями существуют отношения "предок-потомок". + простота и быстродействие; - плохо реализовывать пользовательские запросы.

2. Сетевая модель – каждая запись может быть связана с произвольным числом записей, находящихся на любом уровне иерархии.

Одна запись может участвовать во многих отношениях "предок-потомок". + простота, гибкость. - плохо реализовывать пользовательские запросы.

3. Реляционная модель (создана Коддом в 1970 г) – выражается в виде плоской двумерной таблицы. При этом каждая строка является экземпляром объекта (запись), а каждый элемент данных – атрибутом объекта. + простота и набор таблиц позволяет реализовать любую структуру данных.

  1. Понятие реляционной БД. Свойства реляционной таблицы.

Реляционная модель бала создана Коддом в 1970г. Цель – упростить структуру БД.

Свойства реляционной таблицы:

Реляционной называется БД, в которой все данные, доступные пользователю, организованы в виде двумерных таблиц, а все операции над данными сводятся к операциям над реляционными таблицами.

Таблица, все строки которой отличаются друг от друга, называется отношением.

Таблица в реляционной БД, это именованная строка заголовков столбцов с одной или более строками значений под этими заголовками.

Каждая таблица имеет уникальное имя в пределах базы данных и состоит из однотипных строк.

Каждый столбец имеет уникальное в этой таблице имя. Столбцы таблицы упорядочены слева направо.

Строки не упорядочены. Всякая строка содержит только одно значение для каждого столбца этой таблицы. Всем строкам таблицы соответствует одно и тоже множество столбцов. Каждая строка должна быть уникальной.

  1. Организация работы с БД в сетях. Основы технологии “файл-сервер”, “клиент-сервер” при организации работы БД в сетях.

Различают две схемы обработки запросов к БД в зависимости от размещения ПО СУБД на компьютерах сети:

При использовании ФС на каждой рабочей станции должна быть установлена СУБД, которая посредством сети обращается с запросом к БД, размещенной на сервере. ФС пересылает запрашиваемый файл на РС, где СУБД извлекает из него требуемые данные.

СУБД вместе с БД находится на сервере. Обработка запроса происходит на сервере. Пользователю пересылаются только требуемые данные.

+ разгружается сеть, извлечение происходит на более мощном компьютере.

Архитектура клиент-сервер - архитектура распределенной вычислительной системы, в которой приложение делится на клиентский и серверный процессы. В зависимости от того, как распределены логические компоненты приложения между клиентами и серверами, различают четыре модели архитектуры клиент-сервер: модель "файл-сервер"; модель "сервер базы данных"; модель "сервер транзакций"; модель "сервер приложений".
Модель "файл-сервер" - архитектура вычислительной сети типа "клиент-сервер", в которой сервер предоставляет в коллективное пользование дисковое пространство, систему обслуживания файлов и периферийные устройства.
Файл-серверные
В файл-серверных СУБД файлы данных располагаются централизованно на файл-сервере. СУБД располагается на каждом клиентском компьютере (рабочей станции). Доступ СУБД к данным осуществляется через локальную сеть. Синхронизация чтений и обновлений осуществляется посредством файловых блокировок. Преимуществом этой архитектуры является низкая нагрузка на ЦП сервера. Недостатки: потенциально высокая загрузка локальной сети; затруднённость централизованного управления; затруднённость обеспечения таких важных характеристик как высокая надёжность, высокая доступность и высокая безопасность. На данный момент файл-серверные СУБД считаются устаревшими.
Клиент-серверные
Клиент-серверная СУБД располагается на сервере вместе с БД и осуществляет доступ к БД непосредственно, в монопольном режиме. Все клиентские запросы на обработку данных обрабатываются клиент-серверной СУБД централизованно. Недостаток клиент-серверных СУБД состоит в повышенных требованиях к серверу. Достоинства: потенциально более низкая загрузка локальной сети; удобство централизованного управления; удобство обеспечения таких важных характеристик как высокая надёжность, высокая доступность и высокая безопасность.
  1. Язык SQL. Основные функциональные возможности и преимущества SQL. Реляционные, булевы операторы в SQL.

Структурированный язык запросов – единственный стандартный язык БД. Запрос к БД это процесс запрашивания данных и получение результата. Официальный стандарт опубликован впервые ANSI и международной организацией по стандартам ISO в 1986г. (SQL/86). В 1989 дополнен (SQL/89). Является федеральным стандартом США по обработке информации.

Возможности:

  1. Организация данных: дает возможность пользователю изменить структуру БД и установить отношения между элементами.

  2. Чтение данных: дает возможность получения из БД любых сведений.

  3. Обработка данных: удаление, дополнение, изменение данных.

  4. Управление доступом: можно ограничить возможности пользователя по чтению и редактированию данных.

  5. Совместное использование данных: позволяет использовать пользователям данные параллельно, не мешая друг другу.

  6. Целостность данных: позволяет защитить БД от разрушения.

Преимущества:

  1. Независимость языка от конкретной СУБД.

  2. Наличие стандартов, регламентирующих основные свойства языка.

  3. Высокоуровневая структура языка, напоминающая английский язык.

  4. Поддержка со стороны крупных производителей ПО.

  5. Возможность выполнения специфических интерактивных запросов.

  6. Обеспечение программного доступа к БД.

  7. Поддержка архитектуры "клиент-сервер".

  8. Реляционная основа языка.

  9. Возможность динамического определения данных.

  10. Переносимость между системами.

SQL распознает следующие реляционные операторы: =, <, >, >=, <=, <>.

SQL распознает следующие булевы операторы: AND, OR, NOT.

Дисциплина «Технология автоматизированного производства» (Польский Е.А.)

  1. Формализация методов расчета точности механической обработки.

  2. Классификация, область применения инструментальных материалов.

  3. Классификация, обозначение, область применения конструкционных материалов

  4. Классификация видов термообработки и их характеристики

  5. Основные  параметры качества поверхностей деталей.

  6. Моделирование типовых схем базирования деталей.

  7. Технологичность. Оценка технологичности.

  8. Основные направления повышения технологичности.

1. Формализация методов расчета точности механической обработки.

Номинальный размер – расчетная величина, определяемая из условий прочности и жесткости конструкции

Предельный допустимый размер – размеры между которыми может находиться и которыми может быть равен действительный размер годной детали

Действительный размер – размер, полученный при измерении с заданной точностью (с установленной погрешностью)

Предельное отклонение размера – алгебраическая разность между предельным и номинальным размером

es = dнб-d – верхний предел отклонений

ei = dнм-d – нижний предел отклонений

d – для валов D-для отверстий

Допуск – интервал, в пределах которого может изменяться действительный размер детали. Для определения и метрологического обеспечения требуемой точности введено понятие квалитет точности.

Квалитет – мера точности (их 19 IT 00,0A,01,…,17)

Посадка – характер соединения, определяющий разность охватывающего и охватываемого размеров (с зазором, с натягом, переходные)

Точность мех. обработки – соответствие обработанной заготовки трем группам требований

1 – по точности изготовления размера (регламентируется квалитетом и полем допуска)

2 – по допуску отклонения от правильной геометрической формы (регламентируется техническими требованиями по предельному допуску отклонения от правильной геом. формы)

3 – по допуску отклонения от взаимного расположения поверхностей (регламентируется допуском отклонения от точности взаимного расположения)

Суммарная погрешность обработки

(условие обеспечения обработки без брака)

- погрешность, вызванная упругими деформациями

- податливость

- сила резания

определяется системой СПИД – станок-приспособление-инструмент-деталь

- погрешность установки заготовки (базирования, закрепления, приспособления)

– погрешность, вызванная размерным износом режущей части инструмента

-путь резания - путь приработки Uo – относительный износ инструментального материала

- погрешность настройки

- наладка станка определенным образом, - измерение

- погрешность, вызванная температурными деформациями технологической системы (экспоненциальная зависимость от температуры)

=

- погрешность получения формы = (), где - погрешность от деформации сил зацепления; - деформации от непостоянной жесткости заготовки в приспособлении; - геометрические неточности станка.

3. Классификация, область применения инструментальных материалов.

К инструментальным материалам предъявляют 2 осн. Требования - твердость и теплостойкость.

Классификация по их увеличению.

1. Углеродистые стали (У5,У6,…,У12) –1% углерода, легированные ванадием, вольфрамом и молибденом. Предназначены для изготовления инструмента для обработки древесины, мерительных инструментов, медицинских инструментов.

2. Быстрорежущие стали (Р6М5) -6% вольфрама, 5% молибдена. Изготовление осевого инст-та (зенкера, развёртки, свёрла), резьбонарезного

3. Твёрдые сплавы:

  • Однокарбидные сплавы вольфрамово-кобальтовые (ВК) ВК8 (8% кобальт, 92% карбидовольфрам). Используются для обработки чугунов и медных сплавов

  • Двухкарбидные сплавы титано-кобальтовые (ТК) Т5К10 (5% карбидотитан, 10% кобальт, 85% карбидовольфрам) Используется для обработки сталей.

  • Трехкарбидные сплавы титано-тантало-кобальтовые (ТТК) ТТ6К8 (6% титанокобальт, танталокобальт 6%, кобальт 6%, карбидовольфрам 80% ) Используются для обработки трудно обрабатываемых материалов и жаростойких сталей.

4. Сверхтвердые материалы

  • искусственный алмаз для тонкой обработки твердых цветных сплавов и чугунов.

  • кубический нитрит бора (КНБ) для обработки закаленных сталей, для правки инструмента.

4. Классификация, обозначение, область применения конструкционных материалов

  • черные (стали и чугуны)

  • цветные сплавы

Сталь – сплав Fe и С с содержанием углерода < 2,14% ,

Чугун – углерода >2.14.

Сталь и чугун хар-ся наличием в их кристаллическом виде отдельных фракций , исходной явл-ся аустенит из кот-го при медл-ом охлаждении выд-ся феррит и перлит, при быстром бинит, троостит. В чугуне трооситно-мартенситная стр-ра представлена в виде небольших точечных включений.

В сталях и чугунах кроме основных компонентов присутствуют дополнительные полезные (легирующие) и вредные (примеси)

Примеси – фосфор и сера. Сера влияет на прочность в горячем состоянии, а фосфор – в холодном состоянии.

Цветные сплавы – сплавы алюминия, медные сплавы (бронза (медь+олово), латунь (медь+цинк)), магниевые сплавы.

Классификация сталей

1. Стали обыкновенного качества (Ст 3, Ст 5, Ст3КП, СТ3СП). Наибольшее содержание примесей углерода до 0.55%, цифра – номер в классификаторе, КП – кипящая сталь (неочищенная) – макс. Кол-во примесей, СП – спокойная (очищенная)

2. Качественные (углеродистые стали) (Сталь 20Г, 40Х, 12ЧН3А). Цифра – содержание углерода в сотых долях процента, буква после – легирующие элементы Г – марганец, Х – хром, если после буквы стоит цифра, то это процент этого легирующего элемента, (никель до 3%), если цифры нет, то этого элемента до 1% . Буква А в конце – высококачественная (меньше серы и фосфора 0,035%)

  • Низкоуглеродистые (С до 0,3%)

  • Высокоуглеродистые (С больше 0,8%)

  • Низколегированные (легирующих элементов до 5%)

  • Высоколегированные (легирующих элементов больше 12%)

3. Специальные стали

У – инструментальные

Р – быстрорежущие

ШХ - шарикоподшипниковые

Классификация чугунов

1. Серые чугуны СЧ18, СЧ20. Цифра – временный предел прочности на растяжение, деленный на 10 (сигма-В = 180 МПа)

2. Ковкий чугун –КЧ24 (серый чугун с легирующими элементами) (ковать нельзя не пластичный )

3. Белый чугун – БЧ30 Не используется

4. Высокопрочный ВЧ40, ВЧ50

5. Классификация видов термообработки и их характеристики

Закаливаемость - способность стали повышать твердость в результате закалки.

Прокаливаемость - способность стали образовывать закаленный слой со структурой мартенсита и высокой твердостью.

Термообработкой называется тепловое воздействие на металл с целью направленного изменения его структуры и свойств.

Фазы: Феррит, Аустенит, перлит, цементит, троостит, мартенсит

Термообработка – упрочняющая ( закалка, цементация+закалка)

- стабилизирующая (для снятия внутр.напряжений:искусств.старение, отжиг 1 рода)

- улучшающая (изменение физико-мех.св-в материала:отпуск, отжиг 2 рода)

Классификация видов термообработки:

Закалка – это термообработка, направленная на получение в сплаве максимально неравновесной структуры. Любая закалка включает в себя нагрев до заданной температуры, выдержку и последующее быстрое резкое охлаждение. В зависимости от вида фазовых превращений, происходящих в сплаве при закалке, различают закалку с полиморфным превращением и закалку без полиморфного превращения.

Закалка с полиморфным превращением. При закалке с полиморфным превращением нагрев металла производится до температуры, при которой происходит смена типа кристаллической решетки в основном компоненте.

Закалка  без  полиморфного  превращения.

Поверхностная закалка. Этот способ применяется для изделий, у которых должна быть поверхность и вязкая сердцевина (шестерни, валы). При поверхностной закалке нагрев проводится не всей детали, а только её поверхности. После нагрева сразу  проводится охлаждение. Поэтому структурные измерения затрагивают только поверхность. В зависимости от способов нагрева различают несколько видов поверхностей закалки:

1.  Закалка погружением – разогрев поверхности ведется за счет кратковременного погружения детали в горячую среду.

2.  Газопламенная закалка. Разогрев поверхности детали проводится за счет нагрева пламенем газовой горелки.

3. Закалка ТВЧ – токами высокой частоты (индукционная  закалка). Разогрев детали производится за счет наведения в ней токов высокой частоты.

4.  Закалка с нагревом поверхности лазером. При этом способе закалки разогрев поверхности осуществляется за счет воздействия на неё высокоэнергетического пучка излучения.

Цементация – химико-термическая обработка с целью насыщения поверхностного слоя углеродом

Старение – это термообработка, которая проводится после закалки без полиморфного превращения, направленная на получение в сплаве более равновесной структуры и заданного уровня свойств.

Отпуск – термообработка, направленная на уменьшение внутренних напряжений в сплавах после закалки с полиморфным превращением, чтобы получить необходимое соотношение прочности и пластичности.

Низкий отпуск (до 250 градусов) применяется для деталей, которые должны иметь высокую твердость и прочность. повышение вязкости и пластичности (режущий и измерительный инструмент)

Средний отпуск (350-450 градусов) проводится для деталей, в которых требуется максимальный предел упругости, повышение вязкости, снижение твердости (пружины, рессоры)

Высокий отпуск (550-650 градусов) применяется для деталей, в которых необходимо сочетание высокой  ударной вязкости и достаточной прочности, пластичности – это детали машин, работающие с ударными и знакопеременными нагрузками. Такой термообработке обычно подвергают стали содержащие 0,3=0,5%С. Поэтому такие стали часто называют улучшаемыми.

Отжигом называют термообработку, направленную на получение в металлах равновесной структуры. Любой отжиг включает в себя нагрев до определенной температуры, выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение. Цель отжига – уменьшить внутренние напряжения в металле, уменьшить прочностные свойства и увеличить пластичность. Это термообработка, направленная на уменьшение прочности и твердости и повышение пластичности стали.

Отжиг делят на отжиг 1 рода и 2 рода.

Отжиг 1 рода – это такой вид отжига, при котором не происходит структурных изменений, связанных с фазовыми превращениями.

Отжиг 1 рода в свою очередь разделяют на 4 группы:

Гомогенизация – отжиг, направленный на уменьшение химической неоднородности металлов, образующейся в результате рекристаллизации. В отличие от чистых металлов, все сплавы характеризуются неравновесной структурой, т.е. их химический состав является переменным как в пределах одного зерна, так и в пределах всего слитка.

Рекристаллизационный отжиг - нагрев металла до температур выше начала кристаллизации, выдержку с последующим медленным охлаждением. Температура нагрева зависит от состава сплава. В процессе рекристаллизационного отжига происходит образование зародышей новых зерен и последующий рост этих зародышей. Постепенно старые деформированные зерна исчезают. Количество дефектов в кристаллической решетке уменьшается, наклеп устраняется, и металл возвращается в исходное состояние.  

Отжиг для снятия внутренних напряжений. Внутренние напряжения в металле могут возникать в результате различных видов обработки. Это могут быть термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева, различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей деформации, литья, сварки, шлифовки и резания. Могут быть структурными, т.е. появившиеся в результате структурных превращений, происходящих внутри детали в различных местах с различной скоростью. Этот отжиг проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации:

  Патентирование. Это особый вид отжига, который применяется для изготовления высокопрочной проволоки. Низкая температура превращения позволяет получить равномерную мелкую структуру. Такая структура называется троостит. После отжига сталь подвергают холодной деформации, волочению.

Отжиг 2-го рода – термообработка, направленная на получение равновесной структуры в металлах и сплавах, испытывающих фазовые превращения.

Отжиг второго рода может быть полным и неполным.  

Полный отжиг сопровождается полной перекристаллизацией.

При неполном отжиге структурные превращения происходят не полностью, с частичным сохранением исходной фазы. Неполный отжиг применяется в тех случаях, когда можно изменить строение второй фазы, исчезающей и вновь появляющейся при этом виде отжига.

Химико-термическая обработка (ХТО). Это одновременное воздействие на металл химической среды, тепла с целью направленного изменения состава и свойств поверхности детали.  Различные виды ХТО направлены либо на повышение коррозионной стойкости, либо прочности и твердости, износостойких, антифрикционных свойств.  Изменяя состав химической среды, можно  в одних и тех же деталях получать различные свойства.

  Термомеханическая обработка. Это сочетание пластической деформации, упрочняющей термообработки, причем образующийся в результате деформации наклеп сохраняется и влияет на фазовые превращения, происходящие при термообработке.

Такое комплексное воздействие на металл позволяет получить уровень свойств в металле более высокий, чем можно получить после деформации или после термообработки в отдельности.

6. Основные параметры качества поверхностей деталей

Под качеством поверхности понимают совокупность 3-х групп параметров:

  • Геометрические параметры качества

  • Физико-механические параметры качества

  • Физико-химические параметры качества

Геометрические параметры

1 – реальный профиль поверхности - макроотклонение

2 – отклонение от правильной геометрической формы

3 – волнистость – микроотклонение профиля поверхности с шагом больше базовой длины

4 – шероховатость – микроотклонение поверхности с шагом меньше базовой длины


Основной расчетной характеристикой является величина базовой длины на которой определяют высотные и шаговые параметры шероховатости

Высотные параметры:

a) Ra – среднее арифметическое отклонение профиля от средней линии

б) Rz – высота неровности по 10 точкам

В) Rmax – наибольшая высота неровностей профиля

Rp – высота вершин

Rv – глубина впадин

Шаговые параметры:

S – шаг вершин неровностей профиля

Sm – шаг неровностей по средней линии

Физико–механические параметры – поверхностное упрочнение, величина и знак остаточных напряжений (растягивающие, сжимающие, нейтральные)

Физико-химические параметры качества – химическая активность поверхностного слоя детали (хим. параметр, который характеризует хим-кую активность поверхностного слоя материала и учитывает их при эксплуатации изделий в агрессивных средах)

1-------2------3--------4----------технолог

1. Экспл-ые св-ва:

- износостойкость-способность материала сопротивляться износу

- коррозионосойкость

- прочность посадки (контактная жёсткость)

2.Экспл-ые параметры:

для износостойкости:

- интенсивность изнашивания

для прочности посадки:

-величина сближения

3. Оределённые параметры качества:

-геометрические(шероховатость)

-физикомех-ие(остаточные напряжения)

-физикохим-ие

Всеми этими 3-я занимается конструктор

4. Методы и режимы обр-ки(в цеху)

7. Моделирование типовых схем базирования деталей

Степень свободы – неопределенность положения заготовки по перемещению или повороту

Базирование – обеспечение требуемого положения заготовки относительно инструмента или неподвижных частей оборудование.

Закрепление – приложение сил к заготовке для обеспечения постоянства ее базирования и компенсации сил резания.

Установка – базирование и закрепление

База – поверхность, точка или ось, принадлежащие заготовке, используемые для реализации технологических, конструкторских или измерительных действий

  • Конструкторские – определение положения заготовки в сборочной единице (у каждого размера 2 констр. базы)

  • Технологические – определение положения обрабатываемой поверхности относительно установочных элементов приспособления (для каждого размера 1 технологическая база)

  • Измерительные – определение положения поверхности относительноточки измерения размера (у каждого размера 1 измерительная база)

1. Установочная (У) – 1л+2у

2. Направляющая (Н) – 1л+1у

3. Опорная (О) – 1л или 1у

4. Двойная направляющая (ДН) – 2л+2у

5. Двойная опорная (ДО) – 2л

Поверхости:

- П – плоские

- цилиндрические

-Н- наружние

-В-внутренние

- К- конические

- Р-резьбовые

8. Технологичность. Оценка технологичности.

Технологичность-совокупность свойств конструкции изделия, определяющих приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ. Разделяют на производственную и эксплуатационную. Производственная сокращение затрат и времени на конструкторскую и технологическую подготовку производства, процессы изготовления. Эксплуатационная проявляется в сокращении затрат ,времени и средств на техническое обслуживание и ремонтизделия.

Оценка:качественная (технологично, нетехнологично) Дается экспертом в сравнении с деталью аналогом. Количественная- трудоемкость изготовления, уровень материальных или общих затрат; коэф-т технологиности определяется при наличии детали аналога, как отношении общего числа конструкционных элементов к технологичным элементам конструкции; коэф-т шероховатости.

Количественные: характеризуют трудоемкость, себестоимость, коэф.использования материала (Ки.м.=Мдет/Мзаг), коэф.унификации изделия.

В соответствии с ГОСТ 14.205-83 технологичность конструкции изделия (ТКИ) - совокупность свойств конструкции изделия, определяющих ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ.

Обеспечение ТКИ, cогласно ГОСТ 14.201-83, является функцией подготовки производства, предусматривающей взаимосвязанное решение конструкторских и технологических задач, направленных на повышение производительности труда, достижение оптимальных трудовых и материальных затрат и сокращение времени на производство, в том числе и монтаж вне предприятия - изготовителя, техническое обслуживание и ремонт изделия.

Таким образом, основная цель отработки конструкции изделия на технологичность - повышение производительности труда при оптимальном снижении затрат труда, материалов и времени на проектирование, подготовку производства, техническое обслуживание и ремонт. Основные задачи, решаемые при отработке конструкции изделия на технологичность представлены на рис. 1.1.

Сложность процесса обеспечения ТКИ определяется тем, что каждое изделие должно рассматриваться: как объект проектирования; как объект производства; как объект эксплуатации.

В зависимости от области проявления технологичности конструкции изделия различают следующие виды технологичности: производственную; эксплуатационную.

При этом, производственная ТКИ проявляется в сокращении затрат времени на: конструкторскую подготовку производства (КПП); технологическую подготовку производства (ТПП); процессы изготовления.

Эксплуатационная ТКИ проявляется в сокращении затрат времени и средств на техническое обслуживание (ТО) и ремонт изделия.

Структура взаимосвязи процессов разработки конструкции изделия со сферами проявления ее свойств наглядно представлена на рис. 1.2.

Отработка конструкций изделий на технологичность должна производится совместно разработчиками конструкторской и технологической документации, предприятиями-изготовителями изделия и представителями заказчика (специалистами по ТО и ремонту техники). Ответственными же исполнителями отработки конструкций изделий на технологичность являются разработчики именно конструкторской документации.

Наибольшая эффективность отработки конструкции изделия на технологичность может быть достигнута на стадиях разработки проектной конструкторской документации, так как важнейшее значение для технологичности проектируемого изделия имеют конструктивные решения, принимаемые на стадиях разработки технического предложения, эскизного и технического проектов.

Если требования производства в процессе проектирования учитываются в недостаточной мере, то при изготовлении и восстановлении деталей возникают затруднения, которые удлиняют сроки подготовки производства и могут вызвать дополнительную потребность в технологической оснастке и привести к увеличению трудоемкости, что в конечном итоге приведет к увеличению себестоимости продукции.

На практике признание необходимости создания технологичных конструкций не всегда обеспечивается соответствующей организацией работ, и прежде всего конструкторских. Вопрос, технологична ли созданная конструкция, возникает иногда после завершения проекта и передачи его на технологический контроль.

Технологические факторы следует учитывать непосредственно в процессе разработки проекта, начиная с первых стадий - составления задания на проектирование, где наряду с техническими параметрами должны указываться:

  • количество требующихся изделий и намечаемый для них тип производства;

  • техническая характеристика оборудования предприятия, на котором намечается организовать производство новых изделий;

  • требования к конструктивной преемственности нового изделия с находящимися в производстве.

Оценка ТКИ - комплекс взаимосвязанных мероприятий, включающих последовательное выявление ТКИ в целом или отдельных рассматриваемых ее свойств, сопоставление выявленных свойств данного изделия со свойствами изделия, конструкция которого принята в качестве базы для сравнения, и представление результатов сопоставления в форме, приемлемой для принятия управленческих решений по совершенствованию конструкции разрабатываемого изделия. В соответствии с ГОСТ 14.202-73 существуют два вида оценки ТКИ: качественная и количественная.

Качественная оценка характеризует технологичность конструкции обобщенно на основании опыта исполнителя. Качественная сравнительная оценка вариантов конструкции допустима на всех стадиях проектирования, когда осуществляется выбор лучшего конструктивного решения и не требуется определения степени различия технологичности сравниваемых вариантов.

Качественная оценка при сравнении вариантов конструкции в процессе проектирования изделия предшествует количественной и определяет целесообразность количественной оценки, но вполне совместима с ней на всех стадиях проектирования.

9. Основные направления повышения технологичности.

1Унификация и стандартизация конструктивных элементов

2) повышение коэф-та использования материала

3) обеспечение точности замыкающего звена на этапе сборки, методом полной взаимозаменяемости в условиях автоматизированного соединения

4) обеспечение технологичности конструкции заготовок с учетом обеспечения требуемых мех-х хар-к.

5)повышение технологичности с точки зрения механической обработки

6)повышение технологичности на этапе эксплуатации изделия. Эксплуатация изделия в условиях оговоренных техническим материалом.(использовать смазочные материалы)

7)повышение технологичности на этапе ремонта(придерживатся графиков и планов капитального ремонта)

Дисциплина «Информационные системы в экономике» (Лозбинев Ф.Ю.)

  1. Уровни решения задач оптимизации в экономических системах. Основные этапы выработки и принятия управленческих решений.

  2. Применение системного подхода к организации процесса информатизации экономической сферы.

  3. Применение методов оптимизации в решении экономических задач.

  4. Назначение, структура и функциональные возможности современных ERP-систем.

 

  1. Уровни решения задач оптимизации в экономических системах. Основные этапы выработки и принятия управленческих решений.

Уровень А – нахождение лучшего решения на основе перебора нескольких вариантов. Расчеты выполняются вручную, т.е. без использования вычислительной техники, математических моделей и соответствующих методов оптимизации.

Уровень Б – решение задач с использованием математических моделей. Применяются несложные математические методы оптимизации

Уровень В – задачи, сформулированные в виде математических моделей и решаемые с применением соответствующих математических методов оптимизации на базе ЭВМ.

Уровень Г – задачи оптимизации, решаемые в рамках АС.

Этапы выработки и принятия управленческих решений.

  1. Оценка состояния системы – выявление рассогласований между желаемым и действительным состоянием системы.

  1. Определение целей и критериев эффективности

  1. Выработка решения – max полнота возможных решений, включая избыточные

  1. Принятие решения – результат – единственно принятое решение

  1. Реализация решения – приведение системы в целевое состояние


  1. Оценка результатов

  1. Применение системного подхода к организации процесса информатизации экономической сферы.

Область науки, связанная с изучением систем как таковых с целью выявления их общих характеристик или специфических особенностей называется теорией систем.

Выделяют 4 группы систем:

  1. Естественные

  2. Искусственные физические

  3. Искусственные абстрактные

  4. Системы человеческой деятельности

Понятие системы как единого целого, которое имеет свойства, присущие системе только как целому объекту (эмержентность). Система может входить в большую систему как часть и в то же время включать в себя меньшие объекты.

При разработке новой ИС принято выделять следующую структуру.

  1. Организационная часть (определение вз/отношений хозяйствующих субъектов и органов власти, обеспечение инф., орг., тех. совместимости, внедрение современных методов управления и контроля на основе методик анализа и прогнозирования и т.д.)

  2. Техническая часть (ЭВМ, средства коммуникации)

  3. Информационная (интегрированные БД)

  4. Программная часть (единая платформа, эффективные прикладные программы, коомуник. программы.

  1. Применение методов оптимизации в решении экономических задач.

Области применения теории оптимизации:

  1. Проектирование систем и их составных частей

  2. Планирование и анализ функционирования существующих систем

  3. Инженерный анализ и обработка информации

  4. Управление динамическими системами

Циклический процесс формирования оптимального проекта

  1. Синтез топологии системы

  1. Построение модели

  1. Оптимизация параметров модели


  1. Анализ результатов

Необходимые условия для применения оптимизационных методов

  1. Установление границ системы, подлежащей оптимизации (для выделения системы из внешней среды)

  2. Выбор критерия, на основе которого можно произвести анализ вариантов с целью выявления наилучшего

  3. Выбор внутрисистемных переменных для определения характеристик и идентификации вариантов (должны описывать адекватно допустимые проекты и условия функционирования системы; следует рассматривать только те переменные , которые оказывают существенное влияние на величину целевой функции)

  4. Построение модели, отражающей вз/связи между переменными

Модель – упрощенная математическое представление. Отражает вз/связи между переменными задачи и их влияние на степень достижения цели, определяемой характеристическим критерием. Модель представляет собой набор уравнений и неравенств, которые определяют вз/связь между переменными системы и ограниченной областью допустимых изменений переменных.

Типы задач оптимизации

- с одной переменной

- с линейными ограничениями

- задачи ЛП

- задачи целочисленного программирования

- задачи нелинейного программирования с лин. ограничесниями

- задачи дробно-лин программирования

- задачи нелинейного прграммирования

  1. Назначение, структура и функциональные возможности современных ERP-систем.

ERP-система - методология эффективного планирования и управления всеми ресурсами предприятия, которые необходимы для осуществления продаж, производства, закупок и учета при исполнении заказов клиентов в сферах производства, дистрибьюции и оказания услуг.

Аббревиатура ERP используется для обозначения комплексных систем управления предприятием (Enterprise-Resource Planning – планирование - ресурсов предприятия). Ключевой термин ERP является Enterprise – Предприятие, и только потом – планирование ресурсов. Истинное предназначение ERP - в интеграции всех отделов и функций компании в единую компьютерную систему, которая сможет обслужить все специфичные нужды отдельных подразделений.

Стандарт MRP/ERP

  • Планирование продаж и производства

  • Управление спросом

  • Составление плана производства

  • Планирование материальных потребностей

  • Спецификация продукции

  • Управление запасами

  • Управление плановыми поставками

  • Планирование производственных мощностей

  • Материально-техническое снабжение

  • Управление финансами

  • Моделирование производственной программы

  • Контроль и оценка результатов

  • и другие…

Дисциплина «Введение в системологию, системный анализ» (Тайц О.Г.)

  1. Базовые понятия системологии: система, законы логики, символика теории систем.

  2. Системный подход при решении задач.

  3. Процесс решения задачи в понятиях системологии.

  4. Классификации систем.

  5. Формальная и функциональная системы.

  1. Базовые понятия системологии: система, законы логики, символика теории систем.

Системология – это наука изучающая системы

Система – связь элементов (элементы и правила их связи).

Базовые законы логики:

  1. Принцип абстрагирования: в условиях данной проблемы (задачи) отбрасывается все то, что к ней не относится.

  2. В предмете изучения (исследования) выделяют элементы и связи между ними. Таким образом в каждом предмете нас интересуют предметы и их связи.

Символика теории систем

Любой логический объект исследования по существу является системой.

«Система» - сист, стема, ист, ема.

Сист – элемент, звено, фрагмент;

Стема – связь, сцепление, объединение;

Ист – свойство, неотъемлемый признак;

Ема – связь истов (свойств, неотъемлемых признаков).

Принцип неперечислимости

Из рассмотренных примеров следует, что сцепление многих факторов или перечисление различных вариантов может достигать невообразимо больших чисел. Это означает, сто никаким конечным числом теорий, наук, коллективных знаний, библиотек, и т.д. нельзя перебрать все случаи нашей реальной жизни. Понимание этих случаев связано с неограниченным развитием знаний.

Понимание различных вариантов может быть названо как информацией об этих вариантах. Таким образом, развитие информации неограниченно и будут постоянно возникать новые состояния, науки.

  1. Системный подход при решении задач.

Структура процесса решения:

База данных

База знаний

Математическая модель

Решение системы уравнений

Условия задачи

Общие формулы наук

Система уравнений

Это представление недостаточно конкретно, здесь есть элементы, но они не рассматриваются как имена признаков, списков.

Конкретизируем эту схему, перечислим конкретные шаги, которые необходимы для построения каждого блока.

  1. Построение базы данных (БД)

    • Записываем словами текст задачи

    • Записываем в один столбик исходные данные

    • Приводим все данные в систему СИ (после этого в решении можно не указывать размерность)

    • Рисунок или схема задачи

  1. База знаний (БЗ)

  2. Построение математической модели задачи (системы уравнений) является самым сложным этапом при решении задач. Здесь пока нет четких инструкций. Каждое уравнение математической модели строится с помощью пяти действий:

    • Выбираем искомый параметр

    • Взять неизвестное за X. Записываем формулу из БЗ, которая содержит искомый параметр

    • Заменяем известные буквы их численными значениями (подстановка чисел)

    • Выполняем арифметические действия

    • Записываем полученный результат в виде обычного уравнения системы

Полученное уравнение, возможно, снова имеет неизвестные буквы. Одну из этих букв рассматриваем как искомый параметр и заново выполняем указанные выше действия.

Мы получили процесс накапливания уравнений для математической модели задачи. Таким образом, процесс построения модели сводится к циклической цепочке действий

Когда число уравнений сравняется с числом оставшихся букв, мы получим обычную систему уравнений (математическую модель задачи). Таким образом, огромный круг задач сводится к математическим уравнениям. Это и объясняет то значение, которое придается математике.

  1. Решение системы уравнений рассматривается в курсе математики

Алгоритм есть цепочка правил действия.