САПР — инструментарий проектировщика в XXI веке

Ремир Сольницев
Д.т.н., профессор кафедры САПР СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Яков Шамрай
Инженер-программист ООО «ДизайнСофт».

Андрей Давидчук
К.т.н., генеральный директор АО «Научно-производственный центр «Аквамарин».

Георгий Куприянов
Разработчик .Net ООО «СофтПРО».

Введение

Прежде чем рассматривать состояние, имеющиеся проблемы, способы их преодоления и перспективы развития систем автоматизированного проектирования (САПР), необходимо сформулировать определение этих систем. Сегодня под САПР зачастую понимают лишь упрощающее работу инженера программное обеспечение (ПО), что неверно, поскольку САПР включает не только ПО. Гораздо более точное определение САПР содержится в ГОСТах. Но и с ГОСТами ситуация не так проста, как может показаться на первый взгляд.

Основополагающим был ГОСТ 22487-77 [1]. Он устанавливал базовые термины, такие как «проектирование», «автоматизированное проектирование», «проектное решение», «проектная процедура», «система автоматизированного проектирования» и другие.

Следующими были ГОСТ 23501.0-79 [2] и заменивший его ГОСТ 23501.101-87 [3]. Каждый из них корректировал определение САПР.

Дальнейшее развитие стандартов происходило несколько противоречиво. Новые стандарты [4, 5] дают определение уже не для САПР, а обобщенное — для автоматизированных систем (АС) в целом. САПР упоминается как один из видов АС, остальная же терминология по автоматизированному проектированию либо приведена частично, либо вообще игнорируется. При этом ГОСТ 23501.101-87 продолжает действовать, ссылаясь на ГОСТ 22487-77, формально замененный стандартом [4].

По мнению авторов, допустимо определение САПР как инструментария проектировщика (разработчика, конструктора, технолога, испытателя), включающего технические средства, математическое, информационное, лингвистическое, программное, методическое и организационное обеспечение и предназначенного для применения на всех этапах проектирования — от согласования технического задания на объект проектирования до передачи технической документации на завод-изготовитель [6].

Такое определение призвано подчеркнуть три обстоятельства:

• САПР создается в интересах проектировщика — человека, занятого проектированием новых объектов (именно это отличает САПР от всех других автоматизированных систем и должно учитываться в процессе разработки);
• в основе САПР лежит применение человеком новых инструментов (орудий труда);
• без наличия этих инструментов САПР существовать не может.

Сегодня имеется огромное количество инструментов САПР, однако эффективность их практического применения далека от требуемой. В настоящей статье представлен взгляд авторов на причины отсутствия должной эффективности инструментов и способы преодоления имеющихся проблем отрасли.

Тенденции развития САПР

Говоря о современных тенденциях в отрасли САПР, следует принять во внимание весь путь их развития с начала 1950-х годов. Фундаментальные концепции САПР, продолжающие оказывать влияние на развитие современных инструментов, отражены в трудах МНТК, в статьях Ф.Л. Краузе, Ж.К. Латомба, Дж. Аллана, Й. Хитвани, И.П. Норенкова, Р.И. Сольницева, Г.В. Орловского, В.И. Анисимова, В.М. Курейчика, Я.Е. Львовича, А.М. Бершадского и многих других. Большое количество разработок сегодняшнего дня, подаваемых маркетологами как прорывные, не являются таковыми с позиций научного знания. Многие практические проблемы обусловлены нарастающим разрывом между теорией и практикой, отсутствием должного уровня анализа применяемых подходов.

Представители лидирующих мировых фирм (Autodesk, Dassault Systemes, PTC, Siemens и др.) предлагают свое видение будущего САПР [7], в котором отчетливо выделяются пять направлений развития, обобщенно представленных на рис. 1.

Рис. 1. Направления развития САПР, по мнению мировых лидеров

В таком образе будущего САПР явно присутствует элемент так называемого хайпа. Подвергнув его более подробному анализу, можно увидеть преимущества и недостатки продвигаемых решений, обозначить альтернативы.

Прежде всего, следует отметить, что все пять направлений в той или иной мере относятся к организации взаимодействия «проектировщик — система» или, в более общем смысле, «человек — машина». Облачные системы также изменяют взаимодействие между людьми. Таким образом, имеется явный запрос на повышение качества указанных взаимодействий.

Сегодня облачные системы и работа в сети Интернет весьма популярны. При этом не решены в полной мере вопросы безопасности данных при передаче по сети. Кроме того, облачные решения требуют наличия в распоряжении предприятия-проектировщика соответствующей инфраструктуры.

Использование средств ИИ в САПР известно давно [8, 9, 10, 11, 12]. Уровень развития современных систем ИИ впечатляет, но по-прежнему не является достаточным для применения в рамках САПР в ближайшем будущем по целому ряду причин:

• не решен вопрос контроля достоверности данных, на которых обучают системы ИИ, а также достоверности получаемых с их помощью результатов;
• эффективная интеграция ИИ в существующие САПР требует большой работы как по подготовке данных для обучения, так и по разработке программных средств, обеспечивающих получение ответа от ИИ в виде проектного решения, представленного в формате конкретной САПР;
• решение серьезных задач с помощью современных реализаций ИИ требует больших вычислительных мощностей.

Развитие компьютерной графики и специализированных технических средств способствует разработкам в области виртуальной реальности (Virtual Reality, VR) [13]. Однако эргономические свойства комплектов VR при длительной работе на сегодня ставятся под сомнение [14], что не позволяет рассматривать их в качестве идеального интерфейса при взаимодействии «человек — машина».

Очевидно, что голосовое управление не может применяться в качестве основного интерфейса по целому ряду психологических и физиологических причин (например, перенапряжение голосовых связок).

Наиболее удачным интерфейсом управления представляется сенсорный ввод с использованием интерактивного дисплея и стилуса (пера). В качестве существующего примера можно назвать инструменты типа Wacom Cintiq [15], ориентированные на работу с графикой, что характерно для САПР.

Следует отметить также, что обозначенные мировыми лидерами тенденции развития игнорируют ряд существенных проблем, рассматриваемых в следующем разделе настоящей статьи.

Проблемы разработки и внедрения САПР и способы их преодоления

В перечень актуальных проблем разработки и внедрения САПР, по мнению авторов, может быть включено следующее:

• инструменты САПР, ориентированные на широкий класс проектируемых объектов, не учитывают особенности процесса проектирования конкретных изделий и его специфику на конкретном предприятии, вследствие чего их внедрение оказывается неэффективным;
• не обеспечена совместимость инструментов САПР по форматам хранения данных, что препятствует реализации «сквозного» цикла проектирования;
• отсутствует стандартная, предельно доступная расширяемая программная платформа и методика ее применения для быстрой разработки ПО САПР;
• широкие возможности существующих инструментов САПР нивелируются за счет перегрузки пользователя несущественной информацией в силу неудачно спроектированных интерфейсов «проектировщик — система»;
• отсутствуют целостные, методически проработанные решения для проектирования инфраструктурных объектов, имеющих гетерогенную природу (например, системы управления «природа — техногеника» [16, 17]).

Естественно, что при внедрении САПР большую роль играет человеческий фактор: даже весьма опытным инженерам требуется время, чтобы привыкнуть к использованию новых инструментов. Но следует особо подчеркнуть, что значительная часть проблем внедрения САПР обусловлена подходом к их разработке.

Перечислим возможные способы преодоления указанных выше проблем:

• заказная разработка специализированных САПР, структура которых ориентирована на проектирование более узкого класса объектов на конкретном предприятии;
• разработка отдельных инструментов САПР, исходно ориентированных на включение в структуру специализированной САПР;
• внедрение инструментов САПР по мере их разработки «инструмент за инструментом» в соответствии со структурой специализированной САПР (как противовес внедрению формально готовых, но несовместимых между собой решений);
• более тесная кооперация фирм-разработчиков отдельных инструментов;
• разработка стандартной, доступной широкому кругу фирм-разработчиков расширяемой программной платформы, включающей среду исполнения проблемно-ориентированных модулей, базовое математическое обеспечение, средства визуализации 3D-графики и средства работы с популярными форматами хранения данных в САПР;
• разработка интерфейсов пользователя на основе проблемно-ориентированных языков (ПОЯ), представляющих собой формализованные диалекты естественных языков проектировщиков (разработчиков, конструкторов, технологов, испытателей).

В отрасли уже предпринимаются усилия в указанных направлениях. Например, для более тесной кооперации фирм-разработчиков в России создан консорциум «РазвИТие», объединяющий компании АСКОН, НТЦ «АПМ», ADEM, ТЕСИС, ЭРЕМЕКС [18].

Инженерные программные платформы создаются как зарубежными разработчиками (платформа Open Design Alliance, ODA [19]), так и отечественными (проект «Гербарий», разрабатываемый совместно АО «Системы управления», ЗАО «Топ Системы» и ООО «Рексофт» [20]).

Средства работы с популярными форматами хранения данных в САПР также разрабатываются как за рубежом (платформа ODA [19], компоненты Datakit [21]), так и в России (CAD Exchanger от ООО «КАДЭКС» [22]).

Заказная разработка САПР множеством небольших предприятий, осуществляемая на базе расширяемых программных платформ, обеспечит работой большое количество специалистов и может рассматриваться в качестве альтернативы монополизации рынка крупными игроками.

Предотвратить возникновение монополии в сфере разработки самих программных платформ возможно лишь с помощью фундаментальных знаний. В связи с этим хочется особо отметить, что расширяемая платформа для построения ПО инструментов САПР может быть создана на базе двух основных компонентов: объектно-ориентированных СУБД (ООСУБД) и ПОЯ проектировщиков (рис. 2).

Рис. 2. ООСУБД и ПОЯ проектировщиков как основа построения инструментов САПР

Первые обеспечивают удобство разработки ПО САПР, упрощая взаимодействие между языками программирования и базами данных (в качестве известного примера такой СУБД можно назвать Versant Object Database [23]). Вторые обеспечивают удобство использования, выступая в качестве простого языка манипулирования данными.

Что касается проблем проектирования инфраструктурных объектов, то их решение следует искать на пути объединения технологий BIM (Building Information Modeling) и GIS (Geographic information system) на базе стандартов IFC и CityGML [24].

Подготовка специалистов по САПР в вузах

В основе подготовки специалистов по разработке, внедрению и применению САПР должна лежать основная концепция «САПР — инструментарий проектировщика», системный подход, включающий освоение теоретических основ и практическое решение реальных задач по созданию всех видов обеспечения (математического, лингвистического, программного, информационного и др.).

Будущий профессионал должен иметь достаточное количество времени, чтобы впитать в себя основные принципы, лежащие в основе САПР, довести их применение до автоматизма. В связи с этим двухуровневая система обучения типа «бакалавр — магистр» представляется неэффективной в сравнении с классическим специалитетом.

Одним из важнейших качеств разработчика САПР является способность к грамотному анализу существующих инструментов на предмет их соответствия основным концепциям современной науки и техники. Развитию в этом направлении обязан способствовать научно-педагогический состав вузов.

Постановка перед обучающимися реальных практических задач требует восстановления тесных связей промышленных предприятий с вузами [25].

Заключение

Изложенные в статье подходы к разработке и внедрению САПР, построенные на основной концепции «САПР — инструментарий проектировщика», направлены на повышение потребительской ценности объектов проектирования. Более того, инструменты САПР составляют часть этой ценности.

Авторы отдают себе отчет, что изложенные в этой работе результаты исследований и применения САПР не охватывают всего многообразия научного и прикладного развития САПР, но в то же время это развитие должно происходить по пути создания новых и усовершенствования существующих средств САПР как орудий труда человека — инструментов проектировщика.

Список литературы:

1. ГОСТ 22487-77 Проектирование автоматизированное. Термины и определения [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/822919689 (Дата обращения: 02.11.2023).
2. ГОСТ 23501.0-79 Системы автоматизированного проектирования. Основные положения [Электронный ресурс]. URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4294719/4294719219.pdf (Дата обращения: 02.11.2023).
3. ГОСТ 23501.101-87 Системы автоматизированного проектирования. Основные положения [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200012840 (Дата обращения: 02.11.2023).
4. ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200006979 (Дата обращения: 02.11.2023).
5. ГОСТ Р 59853-2021 Информационные технологии. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200181819 (Дата обращения: 02.11.2023).
6. Сольницев Р.И. Система автоматизации проектирования — инструментарий проектировщика // ЭВМ в проектировании и производстве / под ред. Г.В. Орловского. Л.: Машиностроение, 1983. С. 60-71.
7. isicad: Будущее мирового САПР [Электронный ресурс]. URL: https://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=22436 (Дата обращения: 02.11.2023).
8. Newell A., Shaw J., Simon H. Report on a general problem-solving program. IFIP Congress 1959. p. 256-264.
9. Jirauch D. Artificial intelligence in automated design. DAC ‘66: Proceedings of the SHARE design automation project // 1966. January. P.9.1-9.10.
10. Орловский Г.В., Слисенко А.О. Искусственный интеллект: промышленная точка зрения // ЭВМ в проектировании и производстве / под ред. Г.В. Орловского. Л.: Машиностроение, 1983. С. 5-17.
11. Сольницев Р.И., Ковтун И.В., Пресняк А.С. Аналитические преобразования на цифровых ЭВМ в исследовании и проектировании промышленных систем // ЭВМ в проектировании и производстве / под ред. Г.В. Орловского. Л.: Машиностроение, 1983. С. 137-148.
12. Поспелов Г.С., Поспелов Д.А. Искусственный интеллект — прикладные системы. М.: Знание, 1985. 48 с.
13. Волынов М.М., Китов А.А., Горячкин Б.С. Виртуальная реальность: виды, структура, особенности, перспективы развития //E-Scio. 2020. № 5 (44). С. 795-812.
14. Kim E., Shin G. User discomfort while using a virtual reality headset as a personal viewing system for text-intensive office tasks. Ergonomics. 2021. 64(7). P.891-899.
15. Cintiq 16 | Wacom [Электронный ресурс]. URL: https://wacom.ru/products/pen-displays/cintiq-16.html (Дата обращения: 02.11.2023).
16. Сольницев Р.И., Коршунов Г.И. Системы управления «природа — техногеника». СПб.: Политехника, 2013. 205 с.
17. Куприянов Г.А., Сольницев Р.И. О программном и информационном обеспечениях проектирования и эксплуатации инфраструктуры рециклинга //XXIV Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям (SCM-2021). СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2021. С. 304-307.
18. Трохалин И. От замысла до изготовления: сквозное решение консорциума «РазвИТие» // Стремление. 2018. № 20. С. 8-17.
19. Introducing the ODA Platform | Open Design Alliance [Электронный ресурс]. URL: https://www.opendesign.com/products (Дата обращения: 02.11.2023).
20. Проект «Гербарий» [Электронный ресурс]. URL: https://www.tflex.ru/about/publications/detail/index.php?ID=3846 (Дата обращения: 02.11.2023).
21. Conversion services and software to exchange 3D data [Электронный ресурс]. URL: https://www.datakit.com/en/product.php (Дата обращения: 02.11.2023).
22. Программное обеспечение для просмотра и конвертации 3D-данных САПР на ПК, мобильных устройствах и онлайн [Электронный ресурс]. URL: https://cadexchanger.ru (Дата обращения: 02.11.2023).
23. Versant Object Database Fundamentals Manual [Электронный ресурс]. URL: https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.647.154&rep=rep1&type=pdf (Дата обращения: 02.11.2023).
24. Tan Y., Liang Y., Zhu J. CityGML in the Integration of BIM and the GIS: Challenges and Opportunities // Buildings, 2023, 13, 1758.
25. Сольницев Р.И., Кленин В.Л., Давидчук А.Г., Сорокин А.В. Вопросы взаимодействия высших учебных заведений (вузов) с промышленностью // Инновации. 2021. № 0 (276). С. 40-43.