Развитие САПР, до чего дойдем?
Моя инженерная практика заставила меня поработать с очень разными продуктами САПР (ProE, UG, SolidW, Revit, Advance steel, AutoCAD, MachCAD, SCAD). Одни инструменты я использую постоянно, другие время от времени, если просят провести проверку или анализ. Знание инструмента проектирования это в первую очередь понимание логического языка программы и если вы владеете несколькими программами, то изучить остальные не представляет сложности, так как по факту меняются только иконки и их расположение. Чем больше программ вы знаете, тем больше специфических задач вы можете решить. Десятилетняя практика использования САРП позволила мне сделать некоторое представление о их развитии, собственно этим и хотел поделиться.
Системы САПР можно разделить на 3 уровня по их внутренней логике и функционалу:
— Системы низкого уровня с закрытой математической моделью построений. Это рисовалки. Их логика очень проста — вы берете, по сути, карандаш и рисуете только не на бумаге, а в векторном пространстве. Вся логика построений исходит исключительно из ваших соображений. Чтобы работать в этих программах вы уже наперед должны определиться с размерами объектов, их характеристиками и геометрией. Т.е. все черчение сводится к многократным итерациям (подгонкам) чертежа под задуманный образ. Безусловно, все это приводит к огромному количеству ошибок. Однако применение различных умных шаблонов для типовых задач (планировка помещений, узлы металлоконструкций) значительно упрощают данный способ черчения.
Например, для соответствия ГОСТ и СНиП хорошо подходит шаблон СПДС. Данные системы проектирования (AutoCAD, Компас, Sketchup и др.) больше подходят для выполнения строительных чертежей, где большинство норм и правил уже прописано и, по сути, все пространство проектирования вертится вокруг уже придуманных узлов, связей, сечений и т.п. Все это породило новый подход к проектированию — это BIM технология, ее следует вынести за рамки, так как ее логика сильно отличается от остальных систем проектирования. О ней чуть позже.
— Системы среднего уровня (самая известная — SolidWorks, хотя в последние годы он практически дотянулся до систем высокого уровня, а так же Invertor и др.). Они имеют открытую математическую модель (дерево модели). Т.е. на любом этапе рисования вы можете отследить предыдущие шаги построения. Данные системы своей логикой принципиально отличаются от систем низшего уровня. Здесь вы работаете, как бы с твердыми телами. Т.е. в математику модели заложена целостность геометрии объектов построения и любые пересечения или не соответствия «твердости» невозможны. Отсюда и термин «твердотельное моделирование». По факту работая в этих программах, инженер обращается с электронными копиями настоящих моделей, что позволяет применять к проектированию сборочную логику. Как это будет происходить на производстве, так и должно быть реализовано в модели. Это убирает огромное количество проблем и уменьшает количество ошибок при проектировании. Однако от самого инженера в этом случае требуется широкий спектр знаний в области требований к объекту проектирования. Эти системы сделали существенный шаг к уменьшению трудоемкости проектных работ по сравнению с системами первого уровня, однако не решили вопроса оптимизации изделий по параметрам, это сделали системы высшего уровня.
— Системы высшего уровня с открытой математической моделью построений с возможностью сквозного анализа модели по установленным критериям (прочность, технологичность, геометрические ограничения и т.д.). Полные возможности данных систем используют только очень продвинутые пользователи и, как правило, только в отраслях с высокими ограничениями и сложными задачами (авиационная, космическая, атомная и т.д.). Т.е. эти системы это передовой край систем проектирования они самые совершенные и сложные. Сложность их заключается в том, что при моделировании программа «заставляет» вас четко определять связь геометрических объектов. Т.е. прежде чем реализовать задуманное в 3D модели вы должны хотя бы приближенно представлять поэлементный характер изделия. Каждая модель характеризуется не менее чем тремя определяющими размерами привязки (плоскость эскиза, глубина эскиза и сам определяющий размер эскиза), каждое позиционирование (сборка) — не менее трех связанных поверхностей или образующих. Для изделия в 10 сборочных единиц минимальное количество определяющих связей — 90 (10×3х3). На практике их всегда больше. В связи с этим, чтобы все собралось верно, очень важно правильно выстраивать связи объектов учитывая огромное количество параметров (прочность, эксплуатация, собираемость, технологичность). Все это заставляет думать и думать крепко, зато верно выстроенная модель способна к адаптации — ее легко менять в зависимости от появления новых требований или ограничений. Именно эти системы при условии верного моделирования позволяют максимально оптимизировать изделие по огромному количеству параметров. К этому типу продуктов относятся три программных комплекса: Unigraphics (NX), ProEngineer, Catia. Логика этих трех систем очень схожа, поэтому выбор, какой пользоваться обычно сводится к личному удобству.
И, наконец, BIM- системы. Это принципиально другой подход к проектированию. По факту BIM системы это структурированные библиотеки возможных решений, которые привязаны к объектам проектирования. Т.е. каждый объект проектирования обладает некоторым набором параметров и характеристик, которые уже в него заложены и пользователю остается только выбрать эти параметры из предлагаемых библиотек в зависимости от назначения элемента или требований заказчика. К таким системам относится Revit, Advance steel, Tekla structures. Эти системы очень упрощают жизнь и несколько снижают требования к квалификации инженера, так как сами уже подразумевают решения проектных задач. По факту работа в данных программах сводится к верному определению параметров конструкции из предлагаемых библиотек. Данные системы удобны именно для строительных объектов, так как объем библиотек строительных решений не велик. Чего этим системам не хватает, так это нормального анализа на требования прочности и устойчивости. Для анализа конструкторских решений по прежнему удобно использовать другие программные продукты (Lira, SCAD).
Это настоящее систем проектирования, а что же нас ждет в будущем? Основная задача систем САПР это сокращение времени проектирования. В этом плане все современные системы превосходят кульман и логарифмическую линейку в сотни раз. Для этого используется три основных инструмента:
— Создание библиотек решений в рамках ограничений, норм и правил проектирования.
— Создание адаптивных сквозных моделей, способных к адаптации.
— Создание коммуникативных сред проектирования (Windchill или Teamcenter и др.).
Все это позволило максимально сократить время проектирования и модернизации изделий.
Однако эти системы хороши, если они применяются на предприятии со своей «школой», т.е. со своей базой решений, требованиями к геометрии, технологии и прочими ограничениями. Если в рамках существующей системы проектирования и производства вы надумаете создать что-то принципиально новое, то столкнётесь с огромными трудностями, вам придется менять «школу», а это очень сложно. Т.е. нужно очень четко понимать, что именно ограничения в проектировании создают возможность выработки устойчивых принципов и рекомендаций к проектированию. Что в свою очередь ограничивает поле возможных решений. В противном случае система сводится к высокой степени неопределённости, которую человеческий разум разрешить просто не может, но именно в ней может находится наиболее эффективное техническое решение.
Фактически сейчас человеческий разум достиг предела применения в качестве главного генератора проектной мысли. Это случилось потому, что наше мышление ограничено количеством логических решений, к анализу которых мы способны. В среднем человек способен просчитать последствия решений на три шага, далее лежат решения с высокой степенью неопределённости.
Расширить эти пределы позволяют математические модели, позволяющие строить длинные программные связи. Т.е. проектирование превратилось в программирование, только вместо кода используются физические параметры среды, самого объекта проектирования и его эксплуатационных требований. Это позволяет проводить огромное количество итераций в поисках оптимального решения. Однако и данный подход себя исчерпал так, как математические модели все равно строятся на общих представлениях человека о том, как должно быть верно.
Таким образом, все проектные решения ограничены представлениями инженеров, о том какими они должны быть, а не максимально оптимальными в рамках данных условий. Т.е. проектные решения ограничены технологией и косностью мышления участников проектирования. Появление 3D печати резко расширило границы технологий и предоставило возможность создавать уникальные изделия. Как только было снято ограничение по технологической форме детали, появились системы поиска оптимальных форм по нагрузке или другим параметрам. Однако форма и материал это еще не комплексное решение проектной задачи, а лишь локальная оптимизация.
Так куда дальше должны стремиться системы проектирования? Так как основной заказчик сложных проектных работ это крупные компании, а крупные компании стремятся уменьшить издержки, то, безусловно, основной заказ к разработчикам следующий:
— Глубокая интеграция проектирования и производства (для уменьшения ошибок проектирования относительно технологических решений).
— Проектирование оборудования совместно с проектированием изделия. Фактически все сводится к тому, что новые качественные оптимальные решения возможны только если меняется их технология производства. Т.е. параллельно должны вестись два процесса проектирования, станочное и самого изделия.
— Применение ИИ для выхода за рамки «школы» проектирования. Т.е. системы ИИ должны быть использованы для:
— на первом этапе — выделения шаблонных проектных решений и их оптимизации в рамках сложившихся на предприятии решений.
— выход из шаблонных решений в сторону комбинирования шаблонов.
— Переход от комбинирования шаблонов к созданию новых гибких моделей проектирования.
По факту проектирование со временем лишится человеческого лица в плане инженерных задач, а начнет больше походить на программирование, т.е. физические и твердотельные модели вообще исчезнут, а будут сразу создаваться математический комплекс решений в рамках математической среды проектирования. Задача человека сведется к составлению наиболее полных и информативных технических заданий, все остальное программный комплекс должен делать сам.
Возможно, это кажется утопией. Но уже сейчас элементы этого не далекого будущего мне приходилось использовать. Например, у меня стояла задача в рамках технологических ограничений составить модель композиционного крыла. Я делал математическую модель в MachCAD, параметризированную модель в ProE, связывал эти файлы на прямую и через макросы и получал на выходе чертежи, которые работали в определенном диапазоне геометрических значений. Таким образом, данная модель для дальнейших пользователей — черный ящик.
Пользователь просто мог выбрать тип профиля, размах, требования к механизации, а на выходе получал чертежи крыла. При этом сам я в большей степени выступал программистом, чем инженером. Если бы в эту схему включить расширенную технологию и системы оптимизации мы бы и получили продукт будущего, но, безусловно, это не простая задача.
Развитие САПР должно быть направленно на исключение человеческого фактора ошибки из систем проектирования. Безусловно, ИИ справится с задачей проектирования эффективнее. Но данное развитие имеет огромное количество противоречий от этических до экономических. Представьте если все проектное бюро «Туполева» или «Сухого» можно будет заменить группой программистов и инженеров аналитиков — потеря рабочих мест, «а вдруг все сломается», «а вдруг ядерный взрыв, а мы кульманы из подвала достанем…». Данные противоречия имеют системный характер и практически не разрешимы. Думаю, мы еще не скоро увидим по-настоящему новые системы проектирования. Релизы всех названных выше программ содержат все меньше и меньше качественных изменений и больше сводятся к удобству пользования и модернизации имеющихся шаблонов.
И, напоследок, хотелось бы отметить одну очень сложную и очевидную проблему русской проектной школы — она так и не имеет своего программного комплекса высшего уровня. У Европы есть NX и Catia у США — ProE — это не просто программные продукты это воплощение школы проектирования и представлений о процессе автоматизации проектирования. И, безусловно от русских разработчиков, хотелось бы получить систему, которая сразу будет на шаг впереди, что-что, а догонять у нас, как правило, получается.
