автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Исследование и разработка методов проектирования баз данных САПР

Введение.

Глава I. Особенности информационного обеспечения САПР.

1.1. Анализ информационных средств САПР.

1.2. Принципы построения АДЦ САПР. Пути повышения эффективности применения

1.3. Анализ общих вопросов проектирования ВД

1.4. Особенности постановки задачи проектирования Щ САПР.

1.4.1. Особенности информационной базы САПР

1.4.2. Основные требования средств автоматизированного проектирования к процессам обработки данных

1.4.3. Постановка задачи

Вывода к главе I

Глава II. Основные принципы разработки инструментальных средств проектирования ДЦ САПР.

2.1. Анализ методов и систем проектирования ДЦ

2.2. Разработка архитектуры средств проектиро -вания Щ САПР.

2.3. Принципы информационно-логического моделирования ПО САПР

2.3.1. ЬМ-модель

2.3.2. Методика описания информационно-поисковых запросов. Построение частной информационно-логической модели ПО САПР

2.3.3. Построение обобщенной информационно-логической модели информационной базы

САПР.

2.3.4. Вывод реляционной схемы информационнологической модели ПО САПР

Вывода к главе П.

Глава III. Реализация проектирования Щ САПР в среде универсальной СУЩ

3.1. Основы концептуального проектирования

ДЦ САПР.Функциональное моделирование информационно-поискового процесса в САПР

3.2. Разработка средств взаимодействия инженера-проектировщика САПР с системой проек -тирования Щ.

3.3. Качественный выбор СУРЩ.

3.4. Разработка принципов интерпретации модельного описания ПО САПР в ЯОД СУЩ.

Выводы к главе Ш

В материалах ХХУТ съезда КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" [ IJ как одно из важнейших направлений научных исследований определяется развитие работ по совершенствованию и эффективному применению в народном хозяйстве электронной вычислительной техники и систем автоматизированного проектирования (САПР).

В настоящее время область применения САПР охватывает большинство ведущих отраслей народного хозяйства и в первую очередь производство вычислительной техники и радиоэлектронной аппаратуры. Именно эти отрасли промышленности явились пионерами в разработке и применении средств автоматизированного проектирования (АП). Эффект от применения САПР достигается за счет повышения качества и технико-экономического уровня проектируемых объектов, сокращения сроков, стоимости и трудоемкости процесса проектирования.

Современные темпы развития вычислительной техники и радиоэлектронной аппаратуры сопровождаются быстрой сменой элементной, технологической и конструкторской баз проектируемых объектов. Особую роль в этом развитии играют исследования в области создания и применения интегральных микросхем средней, большой и сверхбольшой интеграции. В связи с этим при применении средств АП возникают серьезные проблемы, связанные в первую очередь с адаптацией САПР к новым условиям и требованиям процесса проектирования.

Проблема повышения гибкости САПР охватывает весь спектр задач автоматизированного проектирования. В нашей стране и за рубежом ведутся интенсивные теоретические и практические работы по разработке общих вопросов совершенствования автомавизированных методов проектирования /"2,27,У и, в частности, повышения алгоритмической гибкости проектирующей подсистемы САПР/-9*30,31 ].

Следует отметить, что гибкость САПР характеризуется не только возможностью использования системы для проектирования широкого класса объектов без существенных изменений программного обеспечения проектирующей подсистемы, но и способностью информационного обеспечения САПР к быстрой адаптации в условиях изменения элементной, конструкторской и технологической базы проектируемого объекта. Сложность и важность решения задачи информационной поддержки процесса проектирования выделяет данную задачу в самостоятельное направление исследований, целью которых является создание гибких, интегрированных САПР /"42/.

Информационное обеспечение САПР несет в себе определенную степень обобщения информационных потребностей проектирующей и обслуживающих подсистем САПР на всех стадиях проектирования, от постановки технического задания до изготовления проектной документации и управляющих перфолент. Объем данных САПР достигает 10-100 Мбг; в этих условиях особую актуальность приобретают работы, направленные на совершенствование методов и средств организации автоматизированного банка данных (АБД), составляющего ядро информационного обеспечения САПР ГЫ]•

В настоящее время наиболее общим вопросам проектирования АБД широкого назначения посвящены многочисленные работы /5,40,2^,34,59/, где сформулированы цели и задачи проектирования АБД /5,3^7, предложена структура этого процесса /"40,5^7, обоснованы основные средства реализации этапов проектирования АБД /3%4о,58/. Важным шагом теоретических и практических исследований организации АБД явились работы /"4,Ю,5о,55,5Ц /, связанные с разработкой универсальных программных средств, реализующих функции системы управления базами данных (СУБД). В результате разработчики АБД получили в свое распоряжение разнообразные программные средства, позволяющие на современном уровне разрабатывать и поддерживать сложные человеко-машинные системы, в том числе и САПР.

Обобщая накопленный опыт по применению универсальных СУБД для разработки АБД САПР У, следует отметить, что

СУБД позволяет существенно сократить сроки и затраты на создание программного обеспечения АДЦ, при этом СУБД представляет собой средство необходимое, но недостаточное. Успех разработки АЕД САПР в каждом конкретном случае определяется эффективностью отображения информации объекта проектирования в вычислительную среду. Совокупность задач, связанных с моделированием информационной базы САПР, решается в процессе проектирования баз данных (БД).

Целью проектирования БД является, с одной стороны, адекватное представление информации объекта проектирования на всех стадиях разработки, а с другой - обеспечение эффективного хранения и обработки данных. Трудности, возникающие на пути решения данной задачи, продиктованы необходимостью учета многочисленных аспектов предметной области САПР, противоречивостью требований к использованию данных различными подсистемами САПР, большой размерностью задач, связанных со специфицированием элементов информации объекта проектирования, отсутствием единства среди разработчиков АБД во взглядах на оценку эффективноети БД. Поэтому современное проектирование БД, как указывалось в отчете специалистов по проектированию БД в Нью-Орлеане, все еще "является искусством, которым заняты немногие, и не широк круг применяемых ими средств. Трудности, связанные с применением баз данных, все больше и больше осложняют их задачу.".

В связи с изложенными выше соображениями, основным направлением данной работы была выбрана проблема проектирования Щ, определяющая эффективность всего комплекса средств АБД и САПР в целом.

Общий анализ работ различных авторов в этой области дает возможность составить представление о состоянии проблемы в настоящее время. Большинство ведущих работ используют два основных подхода к решению проблемы. Первый заключается в стремлении задать описание БД сразу в терминах конкретной СУБД/"45^0,67/. Второй подход состоит в задании независимого от СУЩ формализованного описания предметной области, а затем - после выбора СУЩ -отображение этого описания в схему Щ, поддерживаемую выбранной системой29,777. Такое независимое описание информационных потребностей принято называть информационно-логической моделью (инфологической моделью) информационной базы$2,83.7.

Результатом развития первого подхода явилось появление специализированных пакетов прикладных программ (ППП), например, в нашей стране - ППП "СТРУКТУРА", ППП "ОМ-МОДЕЛЬ", ППП - "СОПД-ОС" [46 7; за рубежом - , фирмы 1Ъ\\[Ш], , основанный на предложениях группы СОЪКЙЧ и /"697, ориентированных на СУЩ, соответственно: "СЕТОР", "ОКА", "(МОД 3-0С",1М$, В Мб -1100 /~46,72У. Несмотря на функциональную простоту и удобство подобных средств, данный подход обладает рядом существенных недостатков:

- строгая ориентация на конкретную СУЩ;

- качество описания БД полностью определяется квалификацией и опытом проведения подобной работы занятых специалистов.

Анализируя данный подход в соответствии с требованиями к

АЕД САПР/22,237, следует отметить, что на ранней стадии проектирования АВД осуществить выбор конкретной СУБД весьма затруднительно, так как требования к процессам обработки данных в САПР еще не сформулированы. Следует также отметить, что в условиях сложности и объемности содержания информационной базы САПР процессы изучения, специфицирования и структурирования исходных данных имеют решающее значение. Качество этих процессов определяет такие важные показатели АБД САПР, как простота реализации информационного обмена между подсистемами САПР, время реакции системы, качество проектной документации, целостность и надежность хранимой информации. В связи с этим влияние субъективного фактора на качество описания БД должно быть по возможности исключено.

Все это затрудняет применение первого подхода к проектированию БД САПР.

В настоящее время наиболее широко разрабатываются концепции второго подхода/39,5^ ]. Интерес специалистов в области проектирования 1Щ к данному подходу вызван прежде всего возможностью реализации логической и физической независимости данных Г2Ц%ЪЧ]. Независимость данных позволяет существенно сократить затраты на адаптацию АВД к новым приложениям, сделать независимым программное обеспечение АБД от среды функционирования.

Основу подхода составляет многоуровневое представление данных/" 62. у, осуществляющее развязку прикладных программ пользователей ВД от особенностей хранения и средств обработки данных конкретной СУБД.

Несмотря на широкое признание данного подхода, здесь нет единства относительно выбора средств и методов реализации уровней представления информации в соответствии с функциональным назначением АЕД и семантическим содержанием баз данных. Поэтому основной целью данной работы является исследование и разработка методов отображения информационной базы САПР в структуры Щ, поддерживаемые широким классом универсальных СУБД. Основное внимание уделено процессам формирования информационно-логической модели предметной области САПР; как наиболее трудоемкому и ответственному этапу проектирования БД САПР.

В соответствии с целью дал исследования и решения были выбраны следующие задачи:

- исследование особенностей информационного обеспечения САПР, разработка критериев проектируемой БД;

- разработка принципов построения средств проектирования БД САПР, ориентированных на специалистов разной подготовленности, в том числе будущих пользователей информационной подсистемы СМР- инженеров-проектировщиков;

- выбор и обоснование принципов взаимодействия проектировщиков Щ с системой;

- рациональный выбор стандартных ППП, отвечающих требованиям к АЕЩ САПР;

- создание алгоритмов и программ для эффективной реализации информационно-логического моделирования и интерпретации модели в среду выбранной СУЕД.

Для теоретического обоснования и решения поставленных задач в работе автор использовал математический аппарат теории графов, методы дискретной математики, реляционную алгебру.

Круг исследуемых задач определил структуру диссертационной работы. Она состоит из трех глав, выводов и приложений.

В первой главе исследованы существующие подходы к формированию информационного обеспечения САПР, показана целесообразность применения в качестве базового программного обеспечения АВД САПР стандартных пакетов прикладных программ, выполняющих функции универсальной СУЩ. Обоснованы основные задачи разработки АВД, подчеркнуты особенности этого процесса в условиях САПР. Исследованы основные составляющие информационной базы САПР, показана возможность использования пользователей САПР в качестве источников первичного описания информационно-поискового процесса. Проанализированы основные показатели качества 1Щ, предложены обобщенные критерии качества ВД САПР, учитывающие адекватность отображения информационной базы САПР в формализованное описание модели БД и полноту и качество реализации заданного множества информационно-поисковых задач. С .учетом разработанных критериев поставлена задача проектирования ВД САПР и намечены пути ее решения.

Во второй главе проведен анализ методов и средств проектирования БД; на основании анализа, требований к АВД САПР и предложенных критериев качества разработана архитектура средств проектирования ВД САПР. Архитектура предполагает три уровня описания предметной области: системный, проблемный и пользовательский; последние два ориентированы на группу разработчиков и пользователей САПР соответственно. Разработаны концепции многослойной модели данных, способной поддерживать простые формы описания информационной базы САПР, с одной стороны, и обеспечивающей необходимый уровень согласованности результатов информационно-логического моделирования с последующими стадиями проектирования ВД. Для реализации информационно-логического моделирования предложена методика описания информационно-поисковых задач, использующая концепции элементарной транзакции для представления возможного набора информационно-поисковых операций и сопутствующих им спе-цификатов. На основании исследования свойств предложенной модели решается задача о нахождении неизбыточного покрытия множества элементарных транзакций, с целью устранения функционального дублирования, обнаружения и разрешения конфликтных ситуаций при моделировании Щ САПР. Доказана единственность и возможность представления результатов в виде связного, ациклического графа. Предложена процедура формирования единого графа доступа, базирующаяся на приоритетной упорядоченности частных моделей с помощью критерия, отражающего специфику режимов обработки данных различными подсистемами СШР. С учетом особенностей представления информации в САПР в виде табличной документации, в работе предложена методика формирования информационно-логической модели БД САПР. Для этого сформулированы ограничения, регламентирующие свойства элементов табличных документов, и разработан аппарат вывода схемы информационно-логической модели БД, базирующийся на понятиях и операциях реляционной алгебры.

Третья глава посвящена исследованию вопросов концептуального проектирования. Обоснованы приемы эквивалентного перехода от информационно-логической модели к концептуальной модели, БД. Показано, что представление модели БД в виде канонической сети отвечает требованиям поставленной задачи, но содержит структурную . избыточность. Для получения оптимальной модели Щ предложен алгоритм функционального моделирования, позволяющий оценить эффективность варианта модели ЗД для реализации конкретной информационно-поисковой задачи. Предложена целевая функция, составляющие которой определяют отклонения проектного решения БД от максимально допустимого времени доступа и максимально допустимого объема памяти для хранения искомых элементов информации. Исследована и решена задача минимизации этой функции. На основании исследования существующих СУВД определен круг пакетов прикладных программ, использование которых для создания АДЦ САПР наиболее предпочтительно. Предложены концепции универсального интерпретатора концептуальной модели Щ в термины языка описания данных СУЩ. Для реализации сбора, контроля и анализа исходных данных исследована проблема общения с предполагаемыми пользователями. Предложено использовать два вида взаимодействия: интерактивный режим, на базе диалоговых процедур; анкетирование пользователей. Разработаны анкеты опроса специалистов САПР и методика анкетирования. Для эффективной реализации анкетирования разработаны алгоритмы ввода,контроля и анализа информации с различных внешних устройств.

В приложениях приведены исходные тексты основных программ, виды анкет, промежуточные документы проектирования ДЦ, акты о внедрении.

Научная новизна. К основным научным результатам, полученным лично автором, включенным в диссертацию и вынесенным на защиту, относятся:

1. Критерии, позволяющие оценить качество разрабатываемой БД, с точки зрения реализации всего набора информационно-поисковых задач, поставленных перед АБД САПР.

2. Архитектура средств проектирования БД САПР, использующая мультимодельный принцип построения. Выделены три уровни описания предметной области: системный, проблемный и пользовательский. Последние два ориентированы на группу разработчиков и пользователей САПР соответственно.

3. Принципы информационно-логической модели данных, подцерживащей концепции как реляционного, так и сетевого подхода к проектированию ЕД и инвариантной относительно СУБД.

4. Методика сбора первичной информации о функциональных и семантических характеристиках объекта проектирования.

5. Методика построения обобщенной информационно-логической модели ЕД САПР с использованием табличной формы представления информации объекта проектирования.

Практическое значение. Предложенные модели, методики, алгоритмы и архитектура могут быть использованы при построении информационной подсистемы САПР широкого назначения.

Разработанные средства проектирования БД позволяют привлечь разработчиков и будущих пользователей системы автоматизированного проектирования к описанию семантики проблемной области САПР, тем самым существенно сократить сроки изучения и специфицирования информации объекта проектирования.

Развязка уровней представления информации в процессе проектирования позволяет применять, наряду с разработанными в работе средствами проектирования ЕД, уже существующие методы и программные средства подобного назначения.

Применение критериев оценки функциональной полноты ЕД позволяет еще на этапе проектирования оценить возможность эффективного применения всего комплекса средств АБД СЖР.

Независимость концептуальной модели БД .от внутренних моделей сделала возможным применение широкого круга универсальных СУВД в качестве базового программного обеспечения АЕД СЖР.

Реализация результатов работы. Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальной эксплуатацией разработанных средств в составе информационного обеспечения проекта "АСТП-электро". С помощью предложенных в диссертации средств проектирования БД проводились исследования и разработка баз данных "ОБОРУДОВАНИЕ" в рамках совместной НИР с УКРШРОЭЛЕКТРО. Применение методов информационно-логического моделирования нашло свое отражение при разработке автоматизированной информационной системы САПР-УГТМ в Украинском институте по проектированию заводов тяжелого машиностроения; г.Харьков, а также при создании информационного обеспечения автоматизированной системы документирования ЦНИИ "КОМЕТА" г.Москва. В приложении приведены акты о внедрении.

Основное содержание и результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах: "Всесоюзная школа-семинар молодых ученых и специалистов по вопросам проектирования и внедрения в народное хозяйство автоматизированных систем обработки информации и управления" г.Ереван, 1981г.; "Теоретические и прикладные вопросы разработки и внедрения, эксплуатации САПР РЭА",г.Ереван, 1983г.; II Всесоюзная конференция "БАНКИ ДАННЫХ" г. Ташкент, 1983г.

Основные положения диссертации отражены в трех опубликованных работах/* з го У.

Диссертация подготовлена на кафедре "Вычислительная техника" Московского института электронного машиностроения в период с 1979г. по 1984г. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю > профессору Сыпчуку П.П. и завкафедрой САПР профессору Михайлову Б.М. за ценные советы и постоянное внимание к работе, а также другим сотрудникам института за поддержку и внимание.