Инструменты виртуального производства — CAD/CAM/CAE
28 март, 2001 - 13:44КОВ рамках публикации архивных материалов, предлагаем вашему вниманию статью из № 12 (281) «Компьютерного Обозрения» от 28 марта. Это была одна из первых наших публикаций на тему CAD/CAM/CAE и во много она остается актуальной даже спустя 20 лет.
Несомненно поучительная и интересная история краха идеи быстрого обогащения с помощью сетевой торговли сыграла злую шутку со всеми нами. Мы не заметили главного — пресловутый e-business не просто работает и приносит весомые прибыли, он уже стал основой огромной инфраструктуры под названием «виртуальное производство» (сомневающиеся могут попробовать задать строку «virtual manufacturing» любому поисковому серверу Сети и насладиться почти десятком тысяч ссылок). На слух кажущийся нонсенсом, термин virtual manufacturing (VM) фактически означает и новую экономическую, и даже новую социальную модель «обустройства мира». Увы, в нашем сегодняшнем положении «новый мировой порядок» выглядит не слишком радужной перспективой...
VM И ЗДОРОВЫЙ КАПИТАЛИЗМ
Прежде чем начать говорить о вещах сложных (и не попадающих по ряду причин в разряд «популярных»), попробуем определиться, для чего и почему все это жизненно необходимо. Даже допуская истинность высказывания «у... — собственная гордость» (недостающее слово можно подставить), хоть «одним глазком» взглянуть на картину с емким названием «А как там у них?» не вредно...
В качестве такой «картины» автор позволил себе краткий экскурс в производственную инфраструктуру Канады, оправдывая субъективность выбора несколькими очевидными причинами. Во-первых, Канада — многонациональное государство (с вытекающими отсюда большими и малыми проблемами), во-вторых — государство со сравнительно небольшой численностью населения и огромной территорией, в-третьих — страна с очень высоким уровнем жизни. Такое непростое сочетание малоприятных факторов с завидными результатами наводит на мысль о том, что все-таки «канадцы что-то знают». Попробуем приподнять завесу над «канадской тайной успеха»:
♦ 68% производящих компаний Канады имеют численность персонала менее 50 человек;
♦ персонал всего 6% производителей относительно велик — более 250 человек;
♦ 53% рабочих мест в промышленности заняты представителями hi-tech — инженерами-конструкторами и специалистами по техническому анализу конструкций/изделий, 49% — специалистами «классических» отраслей (технологи, программисты/операторы ЧПУ и т. д.), непременный атрибут всех производителей — наличие рабочих мест для «чисто компьютерных» специалистов, в первую очередь — по коммуникациям;
♦ более 90% производителей выпускают продукцию для внутренного рынка;
♦ более 70% производителей работают и «на экспорт»;
♦ у 6% производителей вообще нет конкурентов;
♦ у каждого из 48% производителей больше 20 конкурентов на внутреннем и внешних рынках;
♦ стратегия более 75% компаний основывается на разработке новых продуктов, сокращении затрат на производство, проектировании новых технологий и «завоевании» новых рынков;
♦ технологии 91% производителей основаны на автоматизации процессов проектирования/конструирования (53%) и производственных процессов (48%);
♦ вопреки бытующему у нас мнению интерес к автоматизации производственных процессов превышает интерес к высокоуровневой автоматизации управления — 82% компаний используют сети на основе PLC (промышленных управляющих контроллеров) и только 21% — масштабные системы ERC (Enterprise Resource Planning);
♦ технологическая модернизация производства осуществляется способами закупки нового оборудования (89% компаний), существенной модернизации использующегося оборудования (50% компаний), разработки принципиально новых технологий и оборудования (29%) и лицензирования (19%);
♦ 53% компаний ведут собственные исследовательско-конструкторские работы;
♦ объемы экспорта в основных отраслях промышленности превышают объемы импорта на 73 млрд. долл.
Этот краткий обзор в комментариях не нуждается, и автор надеется, что актуальность всего последующего материала также не потребует дополнительного обоснования. Но, кроме мотивационной стороны, у приведенных выше данных есть еще и скрытая семантика, отражающая суть понятия «виртуальное производство» — невозможность в современных условиях выпускать конкурентоспособную продукцию «по-старинке» вызывает неизбежное доминирование высокотехнологичной составляющей в общем «векторе производства». Соответственно на определенном уровне развития становится целесообразным выделение этой составляющей в независимую единицу. Появляются компании, выпускающие «виртуальный продукт» — полный комплект производственно-технологической документации в машинных форматах, и компании, «овеществляющие» этот продукт. Нравится это нам или нет, соответствует ли это нашим «взглядам на жизнь» и традициям — неважно. VM — это уже не просто реальность, это суровое требование эволюции, предоставляющее всего два варианта выбора — быть или не быть...
ПЕРВАЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ВОЙНА
Каламбур, без которого теряется вся привлекательность нового «обустройства мира», — «виртуальность продукции, производимой VM, — виртуальна», является основой множества строгих требований, предъявляемых к современным CAD-системам. И действительно, описание геометрии «нематериализованного» изделия должно быть не только абсолютно точным, но и учитывать технологические особенности производственного процесса. Последнее замечание не надумано — например, в модели конструкции, производимой методом штамповки из листового материала, надо учесть все возникающие в процессе деформации (а штамповка и есть деформация) возможные изменения размеров и формы (моделирование которых может оказаться «не по зубам» даже очень мощным продуктам). Соответственно повышенные требования к геометрическим возможностям CAD-систем — не выдумка маркетологов, а обусловленная реальностью необходимость, и основная «битва» (точнее ее можно назвать «тайной войной») в мире CAD разворачивается одновременно на обширном абстрактном поле вычислительной геометрии и на крохотной территории узкоспециализированных программ — «ядер 3D-геометрии». Так как ни объемы статьи, ни ее целевая направленность не позволяют более или менее подробно рассмотреть особенности этого «поля битвы», ограничимся только кратким обзором главных игроков и собственно идеи, «за которую воюют».
До недавнего времени никаких шумных событий в области ядер CAD-систем не наблюдалось. Да это и понятно — специфичность такого продукта, как «движок» CAD, исключительно высокая сложность теоретических конструкций, лежащих в его основе, одновременно и существенно ограничивали желание разработчиков полноценных CAD-систем открывать геометрическое ядро собственной разработки для лицензирования и сокращали количество компаний, специализирующихся на создании продуктов такого высокого класса сложности. Де-факто, недавно еще казавшаяся стабильной картина выглядела так: немногочисленные производители высокоуровневых систем использовали исключительно геометрические ядра собственной разработки (и свято оберегали свой мир от вторжения извне), а представленные обширным перечнем создатели систем среднего уровня — лицензированные ядра. Но с приходом на рынок молодых независимых и агрессивных компаний—разработчиков уникальных полноценных CAD-систем ситуация резко изменилась вопреки всем скептичным предсказаниям и попыткам «не замечать». Так, совсем недавно лидеры мира CAD совершили ряд шагов, прежде казавшихся невероятными, — компания PTC (Parametric Technology Corporation) выпустила на рынок отдельным продуктом собственное лицензируемое CAD-ядро Graphite One, не менее именитый производитель — SDRC (Structural Dynamics Research Corporation) переместил исключительно путем изменения лицензионной политики и фактически без сокращения функциональности свой лидирующий продукт I-DEAS под новым названием Artisan в ценовую категорию средних систем (5 тыс. долл.), компания UGSolutions (более известная как Unigraphics) подогрела угасающий интерес к Unix-платформам заявлением о портировании CAD-ядра Parasolid для плафтормы Linux. На первый взгляд, во всех этих событиях нет ничего особенного, но... Компания PTC создала такой обширный, функционально насыщенный и качественный спектр CAD-подсистем и занимает настолько устойчивое положение на рынке, что никакой видимой необходимости в «открытии» для лицензирования одного из самых сильных технологических элементов их know-how никем не было замечено. I-DEAS была и остается очень мощной системой, также прекрасно «чувствовавшей» себя на рынке и полностью соответствующей своей стоимости (около 11 тыс. долл.), и явных предпосылок для столь агрессивной атаки мощной системой рынка ПО CAD среднего класса также не наблюдается. И уж совсем трудно объяснить неожиданный интерес могучей UGSolutions к Linux, ставшей уже символом больших провалов всех коммерческих начинаний.
Так что же все-таки произошло? Чтобы ответить на этот вопрос, нам понадобится небольшое отступление в... вычислительную геометрию. Основа основ любого ядра CAD — реализация той или иной формы представления модели трехмерного тела и множества возможных примитивных (и не очень) операций над этой моделью. Де-факто стандартными в этой области являются B-Rep-форма представления и операции так называемой конструктивной твердотельной геометрии (CSG). B-Rep (Boundary Representation — граничное представление) — способ представления объемного тела на основе фрагментов поверхностей (граней) с общими границами (ребрами) и общими точками границ (вершинами). Операции CSG лучше всего описываются аналогами из теории множеств или даже арифметики и минимально допускают «сложение» и «вычитание» объемных тел. Основное достоинство комбинации (или абстрактного типа данных — АДТ) B-Rep/CSG — возможность автоматического контроля за «правильностью» (физической реализуемостью) полученной «конструкции» на основе простейшей знаменитой формулы Эйлера — для B-Rep-представления физически реализуемого объемного тела обязательно должно выполняться равенство:
(Число_Вершин — Число_Ребер) + Число_Граней = 2
Долгое время АДТ B-Rep/CSG «царствовал» в CAD-мире, и множество знаменитых систем (в том числе производства Autodesk, Bentley, Cimatron, DELCAM, SDRC — всего ACIS лицензировали более 300 специализирующихся в области CAD/CAM компаний) строились на основе одной из лучших реализаций этого АТД — геометрическом ядре ACIS корпорации Spatial. Чистый твердотельный подход, принятый в ACIS, определял базовую функциональность продуктов на его основе, но производители с успехом дополняли ее своими собственными разработками. В первую очередь это касалось задач проектирования тел, ограниченных очень сложными поверхностями, — большинство сторонних расширений было направлено именно на улучшение возможностей моделирования поверхностей. Впрочем, во времена безумно дорогих рабочих станций (представители даже среднего класса которых стоили около 100 тыс. долл.) работа с «неудобными» поверхностями была чуть ли не исключительной прерогативой или аэрокосмической индустрии, или «очень секретных» организаций, а в этих отраслях, как известно, денег не жалели. И «вдруг» случилось то, что следовало ожидать, — цены на мощные компьютеры упали, прибыльность массового производства дешевых бытовых изделий резко возросла, пластики стали самым «ходовым» материалом, и, наконец, покупатели однозначно предпочли «зализанный» дизайн iMac выполненным в стиле «индустриального кубизма» порождениям CSG.
То, что еще недавно было неоспоримым достоинством, в один миг превратилось в недостаток — рынок вынудил конструкторов обратить внимание на возможность использования «неправильных» (non-manifold в терминах вычислительной геометрии) фрагментов сложных поверхностей при конструировании «правильных» объемных моделей, «свобода формообразования» из специфического термина превратилась в девиз. Надо отдать должное производителям высокоуровневых CAD-систем — они оказались готовы к технологическим изменениям в требованиях: геометрические ядра фактически всех мощных систем (ProEngineer, I-DEAS/Artisan, Unigraphics, CATIA) основаны на «гибридных» формах представления объемных тел, допускающих одинаково эффективное выполнение и CSG-операций, и моделирование сложных поверхностей. Но стоимость и сложность этих систем просто не соответствовала возможностям небольших компаний. В свою очередь, возможности «сугубо твердотельных» CAD среднего уровня, основанных на лицензированных ядрах, перестали соответствовать потребностям основного потребителя. Возник так называемый «тихий кризис», говорить вслух о котором было не принято. Но, как говорится, «свято место...», и на рынок смело вышли совсем новые игроки — с совершенно новыми продуктами и, что главное, с абсолютно новой стратегией: практически никому не известные компании осмелились атаковать самую перспективную ценовую область CAD-систем среднего уровня уникальной геометрической функциональностью, соответствующей возможностям исключительно мощных систем. Началась «большая битва за свободу» (формообразования, естественно), вынудившая даже сильнейших игроков изменять тактику и применять совсем неожиданные ходы, о которых вы уже знаете...
ЗНАНИЯ = СИЛА = СКРИПТИНГ
Второе «стратегическое сражение», по сути являющееся реакцией на осложнение ситуации на «геометрическом фронте», развернулось вокруг весьма сомнительного понятия «удобство». Что оно означает в отношении программ — никто точно не знает, но, как и в настоящей войне, для боевых действий это совершенно необязательно. Характерно, что главными инициаторами нового сражения стали именно производители традиционных «сугубо твердотельных» CAD среднего уровня — их зависимость от разработчиков геометрических ядер не позволяет быстро отреагировать ни на молниеносную агрессию представителей «новой волны», ни на давление со стороны «обесцененных» до среднего уровня «больших CAD». Естественно, что в такой ситуации остается один выход — «заманить противника в дебри». Такая, несколько утрированная, картина в целом вполне соответствует действительности — война «за удобство», ведущаяся активными PR-средствами в самых разных CAD-ориентированных изданиях, уже успела породить в среде инженеров замечательный термин «MSMD-интерфейс» (Monkey See — Monkey Do, что в переводе не нуждается). CAD-программы начали оснащать самыми неожиданными и явными излишествами — от голосового управления до настраиваемых «тем» пользовательского интерфейса. И за грохотом и свистом, издаваемыми всеми этими «погремушками» и «свистульками», одна очень характерная «нить событий» осталась практически обойденной вниманием. А именно — возврат «на арену» хорошо подзабытой технологии «скриптового моделирования». Правда, возвращается она «в новой одежке» — с гордым и малопонятным названием Generative Knowledge в замечательных продуктах семейства CATIA компании Dassault Syste’ mes. Если не вдумываться в смысл, Generative Knowledge на деле означает описание конструкционных элементов (smart parts — «умных деталей») в виде программ на высокоуровневом языке программирования, централизованное хранение этих программ и, естественно, их повторное использование. Так как слово «программы» здесь употребляется в полноценном смысле, они, соответственно, могут принимать некоторые значения (называемые параметрами), изменяющие те или иные характеристики (тоже параметры) описываемого изделия. Такой подход, именуемый параметрическим моделированием, когда конструктор фактически создает не примитивный единичный чертеж (или 3D-модель) изделия, а формирует целый класс изделий со сходными конструктивными особенностями, — далеко не новость, но в погоне за MSMD-удобствами в системах среднего класса его стремились максимально «спрятать» от конструктора, ограничивая возможности параметризации только тем, что предусмотрено разработчиком ПО. И, как показывает практика, напрасно. Накопленная в ходе проектных работ база скриптов, описывающих «умные детали», не только позволяет намного оперативнее создавать новые конструкции, но и методами knowledge engineering «вытягивать» из нее знания, точнее, — формализовать приемы конструирования. А вот такая информация уже действительно бесценна — она формирует настоящее коллективное know-how. Теперь термин Generative Knowledge становится более понятным — готовые (даже параметризованные) модели деталей обычно утрачивают исключительно ценную информацию о способе их построения, а скрипты не только позволяют при необходимости сгенерировать модель, но и понять (а значит, усвоить и использовать) все действия их авторов.
ВМЕСТЕ ВЕСЕЛО...
Возможность организации коллективной работы в среде virtual manufacturing превращается из необязательного (но удобного) свойства традиционных систем в необходимое условие успеха. Естественно, что развитие этого «e-business по-настоящему» не проходило гладко и без проблем — так, один из пионеров ASPуслуг в области CAD, компания PlanetCAD, буквально на днях поспешила избавиться от убыточного бремени ASP-модели. Однако ее «неживучесть» в CAD-мире вовсе не означает непопулярности технологий e-business вообще, скорее, наоборот. Индустрия CAD-систем переживает настоящий бум «сетецентричности» — и даже такие гранды, как SDRC, специализировавшиеся в уникальной интеграции конструкторских и моделирующих систем, переориентируются на решение задачи «всеобщей интеграции» — от проектно-конструкторских разработок до управления закупками комплектующих и высокоуровневого планирования проекта. Соответственно вырос и интерес к самым совершенным механизмам защиты информации — потенциальные убытки от похищения серьезного проекта просто несопоставимы с последствиями нашумевших e-краж номеров кредитных карточек. Особое внимание производителями уделяется специализированным объектно-ориентированным СУБД (как единственно соответствующим массе противоречивых требований, предъявляемых CAD-системами), построению виртуальных приватных сетей в Internet и защите транзакций. Так, ярким примером современной и очень удачной реализации системы коллективной работы, ориентированной на нужды VM, является семейство продуктов e-Vis (желающие могут ознакомиться с он-лайн-демонстрацией его возможностей на сайте www.evis.com) совместного производства компаний Engineering Animation и Hewlett-Packard, ныне принадлежащее UGSolutions (Unigraphics). Здесь применены самые серьезные методы защиты информации (патентованная технология Hewlett-Packard Praesidium VirtualVault) и создана единая рабочая среда, объединяющая фактически все, что относится или может относиться к разрабатываемому изделию.
Возможности высокоуровневой «коллективизации» поддерживаются «низкоуровневыми» (естественно, что речь здесь идет об уровне производственной иерархии) системами, ориентированными на Web-интеграцию «умных» станков и машин. Обширный класс задач, решаемый подобными системами, требует выделения их в отдельную категорию.
E-MANUFACTURING
Традиционно размещаемые на нижних уровнях производственной иерархии системы относили к классу CAM — Computer Aided Manufacturing. Идея virtual manufacturing внесла серьезные коррективы в казавшуюся ранее незыблемой архитектуру реальных систем и привела к появлению термина fieldCAD, который по-русски точнее всего можно назвать «CAD уровня производственного цеха».
По сути fieldCAD не является революцией, скорее, это попытка оптимизировать уже созданные, работающие CAD/CAM-системы. Ни для кого не секрет, что в рамках производства, имеющего предысторию (т. е. не начатого «с нуля»), на первых этапах переход к «сквозной» автоматизированной технологии проектирования дает взрывной... отрицательный результат — необходимо время и на осознание персоналом принципиально новой идеологии, и, что главное, на накопление базы знаний и разработок в машинной форме, ведь сущность CAD/ CAM/CAE — максимальное повторное использование знаний и эффективная поддержка работы конструкторов в стиле «что будет, если?..». Реальное производство усложняет и без того болезненный и дорогостоящий процесс освоения новой технологии традиционным и строгим итеративным характером взаимодействия всех организационных структур — сначала конструкторы создают модель детали, затем передают эту модель технологам, которые возвращают ее конструкторам с рекомендованными изменениями, приводящими конструктив к реальным технологическим возможностям производства, конструкторы изменяют деталь, передают ее технологам... технологи генерируют обрабатывающие программы для станков с ЧПУ (или последовательность операций обработки, что не принципиально), передают программы для отладки в цех, где выявляются неточности и ошибки, из цеха управляющая программа возвращается технологам, которые на основании анализа результатов отладки могут вернуть модель детали на доработку конструкторам... Весь этот процесс, безусловно, увлекателен и создает рабочие места, но он крайне дорог и продолжителен, особенно на начальном этапе автоматизации. fieldCAD «всего лишь» перемещает одно звено этой цепочки — генерацию управляющих программ — непосредственно в цех, что позволяет сократить расходы на производство в некоторых случаях... на 2 порядка! Закавыченная фраза «всего лишь» на деле означает максимальную интеллектуализацию конечного элемента производства — в дополнение к привычному управляющему контроллеру здесь появляется второй необходимый атрибут — рабочая станция с установленной CAD-системой, соответствующей требованиям fieldCAD. Фактически это должен быть гибрид CAD/CAM и системы поддержки коллективной работы, позволяющий оперативно и моделировать работу обрабатывающего оборудования, и генерировать управляющие программы, и, наконец, предлагать «вышестоящим» в иерархии коллегам изменения в конструктиве. Системы подобного класса сегодня переживают настоящий бум, что подтверждается активным образованием многочисленных альянсов производителей, ранее специализировавшихся исключительно на разработке CAD-систем среднего уровня и СAM.
ИГРОКИ И СОБЫТИЯ
Вопреки сложившейся традиции мы не начнем неполное перечисление самых интересных игроков CAD-мира с заслуженно известных и популярных. Напротив, основное внимание мы попробуем уделить тем самым «возмутителям спокойствия», вызвавшим уже упомянутую «геометрическую войну» (что на самом деле является просто здоровой конкуренцией), и ограничимся только кратким перечнем компаний, потенциально перспективных на нашем рынке по причине очень удачного сочетания цена/качество предлагаемых систем.
Итак, еще два-три года назад практически никому не известная приватная компания VX (www.vx.com, www.vxeurope.com) «неожиданно» приобрела... более 4 тыс. заказчиков и стала одним из основных поставщиков CAD/CAM-систем для корейского гиганта Samsung и японского SNK. Впрочем, это и неудивительно — продукция VX обладает лучшими чертами практически всех современных систем. Свобода формообразования поддерживается уникальным геометрическим ядром собственной разработки, позволяющим эффективно оперировать любыми возможными формами представления модели, управляемый скриптами процесс проектирования отточен до совершенства — модель изделия в VX Vision фактически является программой, «написание» которой хоть и скрыто за удобным пользовательским интерфейсом, но оставляет возможности конструктору на каждом этапе использовать самые сложные уравнения и даже подпрограммы «ручной разработки» для определения любых параметров, а хранение моделей в программной форме открывает возможности для применения сторонних продуктов knowledge engineering. Сочетание необычной даже для высокоуровневых CAD-систем геометрической функциональности, интегрированных мощных подсистем сборочного проектирования и CAM при учете невысокой стоимости ПО (от 4 тыс. долл.) позволяет позиционировать VX Vision одновременно как исключительно конкурентоспособную разработку CAD среднего уровня и перспективную fieldCAD, что полностью подтверждается успешной деятельностью компании VX и высокой оценкой «легендарная система», присвоенной по результатам опросов практикующих инженеров-конструкторов уважаемым в индустрии журналом «MCAD».
По следам VX движется и компания, совсем недавно вышедшая на мировой рынок, — think3 (www.think3.com) с одноименным семейством продуктов. В них также используется гибридное геометрическое ядро собственной разработки и присутствуют основные отличительные черты очень мощной и многообещающей системы — параметрическое сборочное моделирование и встроенный скриптовый язык. Несмотря на молодость think3 уже успела «заполучить» в свой портфель заказчиков такие известные компании, как Adidas, Candy, Buell Motorcycle. Сочетание невысокой цены, отличная продуманность всех механизмов управления процессом проектирования и, наконец, признанная итальянская школа дизайна, стоящая у истоков think3, делают ее продукты очень перспективными. Невзирая на отсутствие в спектре ПО компании CAM-подсистемы, think3 на фоне «классических твердотельных» CAD-систем среднего уровня выглядит очень привлекательно.
Будет несправедливо не отнести к перечню "возмутителей спокойствия«...титулованную,именитуюипризнаннуювовсем мире компанию SDRC (www.sdrc.com) — ее флагманский продукт «среднего уровня» I-DEAS Artisan (кавычки здесь не случайны — возможности и характеристики этой системы просто несопоставимы с «чисто твердотельными» CAD аналогичного ценового уровня) при конкурентоспособной цене (около 5 тыс. долл.) и учете исключительно мощной поддержки коллективной работы фактически не оставляет надежды очень многим компаниям. Высокие качества продукции SDRC по достоинству оценены огромным количеством производителей самых разных отраслей — Fujifilm, iOmega, Lexmark, Matsushita, Minolta, Seagate, Thomson, Nissan, Skoda, Tatra.
К числу постоянных «возмутителей спокойствия» можно (и нужно) причислить производителя знаменитой CAD-оболочки AutoCAD — компанию Autodesk (www. autodesk.com). Несмотря на принадлежность к классу «твердотельных CAD среднего уровня» и отсутствие гибридного геометрического ядра собственной разработки в арсенале Autodesk, продукты этой компании заслуженно популярны благодаря «открытому» характеру, стимулирующему адаптацию системы к потребностям конкретного производителя. Кроме того, как показывает опыт, ориентированные на применение в машиностроении системы Mechanical Desktop и Inventor существенно облегчают непростой процесс миграции к современным технологиям проектирования для предприятий со сложившейся в «докомпьютерную эпоху» проектной инфраструктурой.
CAE — это просто!
Механизмы суть рай для математических наук...
Леонардо да Винчи. Мадридский кодекс
Привычка использовать термины без их объяснения косвенно наводит на две мысли — или собеседник считает, что все знают то, что известно ему самому, или же он сам толком не знает, о чем говорит. Впрочем, шутки шутками, а термин CAE (Computer Aided Engineering), похоже, удостоился чести быть используемым направо и налево без всяких пояснений. Он стал «модным», но от этого не стал понятнее. Конечно, для того чтобы «понять полностью», что он означает, требуются годы упорного труда, но... Автор попробует ухватиться за спасательный круг, брошенный в 1959 г. гениальным ученым и инженером Генри М. Пэйнтером (Henry M. Paynter), и возьмет на себя смелость говорить о вещах, казалось бы, весьма далеких от компьютерной тематики.
МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОСТЬ
Это очень сложное и труднопроизносимое слово для уха технического специалиста звучит, как удар бичом, так как это и есть настоящий бич современного проектирования. Если попытаться на секунду забыть о том, что мы «просто потребители», и взглянуть на любое современное и привычное бытовое изделие, например фотоаппарат, то выяснится, что в нем использованы достижения самых разных областей науки и техники — оптики, электроники, теории автоматического управления, материаловедения и т. д. В каждом из этих направлений существуют свои теория, математический аппарат, методы и приемы анализа, синтеза и оценки того или иного решения. В идеале CAE должна представлять собой формализацию до уровня программного обеспечения знаний во всех этих областях — наличие ПО такого класса в той или иной мере освобождает конструкторов от явной необходимости «знать все». Нужно это для того, чтобы использовать накопленные человечеством знания — при оценке показателей качества будущего изделия еще до этапа конструирования, при оценке влияния выбранных конструктивных решений на эти показатели качества и при оптимизации цены изделия.
Совсем недавно CAE занимала второстепенные позиции, что отражается даже в де-факто стандартном порядке перечисления аббревиатур — CAD/CAM/CAE. Обычно инструментарий CAE применялся для оценки показателей качества (например, прочности или износоустойчивости) и технической/технологической оптимизации фактически «готовой продукции» virtual manufacturing (VM) — моделей конструкций. Но по мере развития идеи «виртуального производства» такой подход оказался слишком несовершенным: симптоматическое лечение, как известно, саму болезнь не лечит, а болезнь традиционной иерархии CAD/CAM/CAE — принципиальная возможность «запуска в производство» заведомо некачественного изделия, которое из-за запоздавших попыток оптимизации будет еще и дорогим. Соответственно, «виртуальное производство» полностью изменило архитектуру процесса проектирования — теперь она описывается так: CAE/CAD/CAE/CAM, а на человеческом языке выражается последовательностью простых директивных указаний:
1. Сформулировать принцип действия и основные конструктивные особенности будущего устройства (построить высокоуровневую модель) и оценить показатели качества этой модели с помощью CAE.
2. Провести конструкторскую работу, получить модели конкретных конструкций.
3. Оценить показатели качества уточненной модели (с учетом «конструкций», полученных на втором этапе) с помощью CAE, провести оптимизацию.
4. Сформировать технологическую документацию для производства с помощью CAM.
BOND G.
Это, конечно, не Джеймс Бонд. Хотя бы потому, что это намного «круче». Bond Graphs, графы связей, графический язык «моделирования всего», созданный Генри М. Пэйнтером почти 42 года назад (24 апреля будет «день рождения Bond G.»), сегодня является основой многих высокоуровневых CAE-продуктов, используемых в авиационной промышленности (например, компания Boeing сама разработала ПО bond graphs моделирования), тяжелом машиностроении, робототехнике, автомобильной промышленности. И, что самое интересное, язык и теория Bond Graphs (BG) очень просты, но позволяют создавать, анализировать и оптимизировать модели технических и физических объектов и явлений самой разной природы, например гидравлических и пневматических систем (одно из знаменитых применений BG — разработка гибридной модели сердечно-сосудистой системы и кардиостимулятора, на основе анализа которой и были созданы работоспособные устройства, спасшие жизнь многим людям), электромеханических и электронных систем, устройств автоматики, химических и термодинамических процессов (список этот можно продолжать до бесконечности).
Несмотря на малоизвестность и отсутствие интереса в прессе, не следует думать, что BG — это экзотика, которую автор «откопал» просто для написания «еще одной статьи». Существующие программы BG-моделирования (а их немало) используются очень широко в куда более близких по сравнению с аэрокосмическим комплексом областях — при проектировании механики и управляющих программ контроллеров видеомагнитофонов и накопителей на жестких дисках, подвесок и трансмиссий автомобилей и мотоциклов (здесь есть целая научная школа, правда, итальянская) и даже... на начальных этапах проектирования кухонных комбайнов, кофемолок и электромясорубок.
Простота языка BG подкупает — в нем всего... 9 базовых графических конструкций, созданных еще в 1959 г. автором, и два-три редко используемых расширенных «слова» — дополнения базового словаря, предложенных впоследствии. В основу идеи BG положены шесть абстракций главных физических понятий — усилие, поток, мощность, момент, перемещение и энергия. Усилие (в теории BG его обычно обозначают буквой e) — это абстракция некоторой измеримой, изменяющейся со временем величины, обладающей примечательным свойством: для ее измерения всегда необходимы две «точки», одна из которых считается «опорной». Усилие еще называют «продольной переменной», подчеркивая тем самым относительность процесса измерения. Поток (f) — это «поперечная переменная», также изменяющаяся во времени, для измерения которой достаточно одной «точки». Мощность (P), момент (p), перемещение (q) и энергия (E) — синтетические показатели, строящиеся на основании значений усилия и потока в данный момент времени по простейшим формулам:
Графический словарь языка BG содержит: два типа абстрактных источников — усилия и потока, абстрактные емкость, инерционность, сопротивление, трансформатор, гиратор и узлы общего усилия и потока. Все эти абстракции соответствуют вещам совершенно реальным — так, при моделировании электрических (электронных) систем усилием является напряжение (измеряемое всегда относительно некоторой точки схемы), а потоком — ток (измеряемый в одной точке, точнее — в сечении проводника), соответственно, сопротивление моделирует резистор, емкость — конденсатор и т. д. Аналогии для всех элементов языка BG существуют практически в любой известной человечеству области, а так как форма записи BG-моделей никак не сдерживает стремления к «моделированию всего», то и моделирование гибридных, междисциплинарных систем с использованием BG-технологии становится пусть не тривиальным (построение удачной модели никогда не бывает тривиальной задачей), но вполне посильным занятием. Тем более что низкоуровневые подмодели отдельных узлов или деталей давно созданы и отработаны, их можно «прятать» за красивыми и понятными инженеру картинками и хранить в базах данных, а техника BGмоделирования прекрасно поддержана программно еще с 60-х годов (знаменитая система ENPORT в 1974 г. была уже в 4-й версии). Но, что главное, из BG-модели с помощью полностью автоматизируемого элементарного процесса можно получать системы уравнений, описывающих поведение моделируемого изделия. Причем способ формирования уравнений гарантирует их представление в так называемой «явной относительно интересующих переменных форме» — фактически это означает как простоту решения их машинными способами, так и устранение серьезной сложности на пути к исследованию системы (сама по себе задача построения моделирующих уравнений в явной форме далеко не тривиальна).
BG CAE
Производителей ПО, автоматизирующего исследования систем на ранних этапах проектного процесса, немало. Вопервых, к ним относится и уже упомянутая корпорация Boeing (продающая CAE-пакет EASY5 www.boeing.com/assocproducts/easy5/home.htm), во-вторых, знаменитая компания Cadsim Engineering (www.bondgraph.com) — выходец из академической среды, в-третьих — мощный европейский производитель высококлассного CAE-ПО Dynasim (www. dynasim.se), в-четвертых — один из лидеров CAE высокого уровня, компания ControlLab (www.20sim.com). Все программные продукты такого класса отличаются достаточно высокой стоимостью (даже по меркам не слишком щепетильного в отношении цен CAD-мира), но ситуацию несколько скрашивает наличие ряда свободно распространяемых реализаций BG CAE-программ, из которых выделяется исключительно мощная разработка MTT (www.mech.gla.ac.uk/ ~peterg/software/MTT/), выполненная в виде транслятора из программ на языке BG в программы свободно распространяемой математической системы Octave (www. che.wisc.edu/octave/). Увы, литература на русском языке по теории Bond Graphs — практически редкость: в бывшем СССР была издана в незапамятном году всего одна книга Д. Кэрнопа и Р. Розенберга «Графы связей», которую, если повезет, можно отыскать в библиотеках.