[ «ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1 2005 С.И. Дворецкий, Г.С. Кормильцин, В.Ф. Калинин ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ Допущено учебно-методическим объединением ...»
В наиболее мощных рабочих станциях в качестве основных обычно используют высокопроизводительные микропроцессоры с сокращенной системой команд (с RISC-архитектурой), работающие под управлением одной из разновидностей операционной системы Unix. В менее мощных все чаще используют технологию Wintel (т.е. микропроцессоры Intel и операционные системы Windows). Графические процессоры выполняют такие операции, как, например, растеризация – представление изображения в растровой форме для ее визуализации, перемещение, вращение, масштабирование, удаление скрытых линий и т.п.
Типичные характеристики рабочих станций: несколько процессоров, десятки-сотни мегабайт оперативной и тысячи мегабайт внешней памяти, наличие кэш-памяти, системная шина со скоростями от сотен Мбайт/с до 1-2 Гбайт/с.
В зависимости от назначения существуют АРМ конструктора, АРМ технолога, АРМ руководителя проекта и т.п. Они могут различаться составом периферийных устройств, характеристиками ЭВМ.
В АРМ конструктора (графических рабочих станциях) используются растровые мониторы с цветными трубками. Типичные значения характеристик мониторов находятся в следующих пределах: размер экрана по диагонали 17…24 дюйма (фактически изображение занимает площадь на 5…8 % меньше, чем указывается в паспортных данных). Разрешающая способность монитора, т.е. число различимых пикселей (отдельных точек, из которых состоит изображение), определяется шагом между отверстиями в маске, через которые проходит к экрану электронный луч в электронно-лучевой трубке. Этот шаг находится в пределах 0,21…0,28 мм, что соответствует количеству пикселей изображения от 800600 до 19201200 и более. Чем выше разрешающая способность, тем шире должна быть полоса пропускания электронных блоков видеосистемы при одинаковой частоте кадровой развертки. Полоса пропускания видеоусилителя находится в пределах 110…150 Мгц и поэтому частота кадровой развертки обычно снижается с 135Гц для разрешения 640480 до 60 Гц для разрешения 16001200. Отметим, что чем ниже частота кадровой развертки, а это есть частота регенерации изображения, тем заметнее мерцание экрана. Желательно, чтобы эта частота была не ниже 75 Гц.
Специально выпускаемые ЭВМ как серверы высокой производительности обычно имеют структуру симметричной многопроцессорной вычислительной системы. В них системная память разделяется между всеми процессорами, каждый процессор может иметь свою сверхоперативную память сравнительно небольшой емкости, число процессоров невелико (единицы, редко более десяти).
Для ввода графической информации с имеющихся документов в САПР используют дигитайзеры и сканеры. Дигитайзер применяют для ручного ввода. Он имеет вид кульмана, по его электронной доске перемещается курсор, на котором расположен визир и кнопочная панель. Курсор имеет электромагнитную связь с сеткой проводников в электронной доске. При нажатии кнопки в некоторой позиции курсора происходит занесение в память информации о координатах этой позиции. Таким образом может осуществляться ручная "сколка" чертежей.
Для автоматического ввода информации с имеющихся текстовых или графических документов используют сканеры планшетного или протяжного типа. Способ считывания – оптический. В сканирующей головке размещаются оптоволоконные самофиксирующиеся линзы и фотоэлементы. Разрешающая способность в разных моделях составляет 300...800 точек на дюйм. Считанная информация имеет растровую форму, программное обеспечение сканера представляет ее в одном из стандартных форматов, например, TIFF, GIF, PCX, JPEG, и для дальнейшей обработки может выполнить векторизацию – перевод графической информации в векторную форму, например, в формат DFX.
Для вывода информации применяют принтеры и плоттеры. Первые из них ориентированы на получение документов малого формата (А3, А4), вторые – для вывода графической информации на широкоформатные носители.
В этих устройствах преимущественно используется растровый (т.е. построчный) способ вывода со струйной технологией печати. Печатающая система в струйных устройствах включает в себя картридж и головку. Картридж – баллон, заполненный чернилами (в цветных устройствах имеется несколько картриджей, каждый с чернилами своего цвета). Головка – матрица из сопел, из которых мельчайшие чернильные капли поступают на носитель. Физический принцип действия головки термический или пьезоэлектрический. При термопечати выбрасывание капель из сопла происходит под действием его нагревания, что вызывает образование пара и выбрасывание капелек под давлением. При пьезоэлектрическом способе пропускание тока через пьезоэлемент приводит к изменению размера сопла и выбрасыванию капли чернил. Второй способ дороже, но позволяет получить более высококачественное изображение.
Типичная разрешающая способность принтеров и плоттеров 300 dpi, в настоящее время она повышена до 720 dpi. В современных устройствах управление осуществляется встроенными микропроцессорами.
Типичное время вывода монохромного изображения формата А1 находится в пределах 2...7 мин., цветного – в два раза больше.
Дигитайзеры, сканеры, принтеры, плоттеры могут входить в состав АРМ или разделяться пользователями нескольких рабочих станций в составе локальной вычислительной сети.
ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ САПР
К общесистемному ПО относят операционные системы (ОС) используемых ЭВМ и вычислительных систем и сетевое ПО типовых телекоммуникационных услуг. Различают ОС со встроенными сетевыми функциями и оболочки над локальными ОС. Основными функциями сетевой ОС являются:управление каталогами и файлами; управление ресурсами; коммуникационные функции; защита от несанкционированного доступа; обеспечение отказоустойчивости; управление сетью.
Управление каталогами и файлами является одной из первоочередных функций сетевой ОС, обслуживаемых специальной сетевой файловой подсистемой. Пользователь получает от этой подсистемы возможность обращаться к файлам, физически расположенным на сервере или в другой станции данных, применяя привычные для локальной работы языковые средства.
Управление ресурсами включает в себя функции запроса и предоставления ресурсов.
Коммуникационные функции обеспечивают адресацию, буферизацию и маршрутизацию сообщений.
Защита от несанкционированного доступа возможна на любом из следующих уровней: ограничение доступа в определенное время, и (или) для определенных станций, и (или) заданное число раз; ограничение совокупности доступных конкретному пользователю директорий; ограничение для конкретного пользователя списка возможных действий (например, только чтение файлов); пометка файлов символами "только чтение", "скрытность при просмотре списка файлов".
Отказоустойчивость определяется наличием у серверов автономных источников питания, отображением и дублированием информации в дисковых накопителях. Отображение заключается в хранении двух копий данных на двух дисках, подключенных к одному контроллеру, а дублирование означает подключение каждого из этих двух дисков к разным контроллерам. Сетевая ОС, реализующая дублирование дисков, обеспечивает более высокий уровень отказоустойчивости.
В настоящее время выбор среди ОС происходит преимущественно между тремя основными операционными системами – UNIX, Windows NT, Novell Netware.
4.8.1. СИСТЕМНЫЕ СРЕДЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
САПР относятся к числу наиболее сложных и наукоемких автоматизированных систем. Наряду с выполнением собственно проектных процедур необходимо автоматизировать также управление проектированием, поскольку сам процесс проектирования становится все более сложным и зачастую приобретает распределенный характер. На крупных и средних предприятиях заметна тенденция к интеграции САПР с системами управления предприятием и документооборота.В типичной структуре ПО системных современных САПР можно выделить следующие подсистемы.
Ядро отвечает за взаимодействие компонентов системной среды, доступ к ресурсам ОС и сети, возможность работы в гетерогенной среде, настройку на конкретную САПР (конфигурирование) с помощью специальных языков расширения.
Подсистема управления проектом выполняет функции слежения за состоянием проекта, координации и синхронизации параллельно выполняемых процедур разными исполнителями.
Подсистема управления методологией проектирования представлена в виде базы знаний. В этой базе содержатся такие сведения о предметной области, как информационная модель (например, в виде диаграмм "сущность – соотношение"), иерархическая структура проектируемых объектов (например, в виде И-ИЛИ – дерева), описания типовых проектных процедур, типовые фрагменты маршрутов проектирования – так называемые потоки процедур, соответствие между процедурами и имеющимися пакетами прикладных программ, ограничение на их применение и т.п. Часто такую БЗ дополняют обучающей подсистемой, используемой для подготовки специалистов к использованию САПР.
Современные системы управления проектными данными называют PDM. Они предназначены для информационного обеспечения проектирования и выполняют следующие функции: хранение проектных данных и доступ к ним, в том числе ведение распределенных архивов документов, их поиск, редактирование, маршрутизация и визуализация; управление конфигурацией изделия, т.е. ведение версий проекта, управление внесением изменений; создание спецификаций; защита информации; интеграция данных (поддержка типовых форматов, конвертирование данных).
Основной компонент PDM – банк данных. Он состоит из системы управления базами данных и баз данных. Межпрограммный интерфейс в значительной мере реализуется через информационный обмен с помощью банка данных. PDM отличает легкость доступа к иерархически организованным данным, обслуживание запросов, выдача ответов не только в текстовой, но и в графической форме, привязанной к конструкции изделия. Поскольку взаимодействие внутри группы проектировщиков в основном осуществляется путем обмена данными, то в системе PDM часто совмещают функции управления данными и параллельным проектированием.
Подсистема интеграции ПО предназначена для организации взаимодействия программ в маршрутах проектирования. Она состоит из ядра, отвечающего за интерфейс на уровне подсистем, и оболочек процедур, согласующих конкретные программные модули, программы и (или) программнометодические комплексы (ПМК) со средой проектирования.
Интеграция ПО базируется на идеях объектно-ориентированного программирования. Следует различать синтаксический и семантический аспекты интеграции. Синтаксическая интеграция реализуется с помощью унифицированных языков и форматов данных, технологий для доступа к общему банку данных или компонентно-ориентированных технологий. Семантическая интеграция подразумевает автоматическое распознавание разными системами смысла передаваемых между ними данных и достигается значительно труднее.
Подсистема пользовательского интерфейса включает в себя текстовый и графический редакторы и поддерживается системами многооконного интерфейса типа X Window System или Open Look.
Подсистема CASE предназначена для адаптации САПР к нуждам конкретных пользователей, разработки и сопровождения прикладного ПО. CASE-система, как система проектирования ПО, содержит компоненты для разработки структурных схем алгоритмов и "экранов" для взаимодействия с пользователем в интерактивных процедурах.
Например, САПР Спрут (российская фирма Sprut Technologies) вообще создана как инструментальная среда для разработки пользователем потоков задач конструкторского и технологического проектирования в машиностроении с последующим возможным оформлением потоков в виде пользовательских версий САПР. Сконструированный поток поддерживается компонентами системы, в число которых входят графические 2D и 3D подсистемы, СУБД, продукционная экспертная система, документатор, технологический процессор создания программ для станков с ЧПУ.
В большинстве автоматизированных информационных систем применяют СУБД, поддерживающие реляционные модели данных. Среди общих требований к СУБД можно отметить: 1) обеспечение целостности данных (их полноты и достоверности); 2) защита данных от несанкционированного доступа и о искажений из-за сбоев аппаратуры; 3) удобство пользовательского интерфейса; 4) в большинстве случаев важна возможность распределенной обработки в сетях ЭВМ.
Первые два требования обеспечиваются ограничением прав доступа, запрещением одновременного использования одних и тех же обрабатываемых данных (при возможности их модификации), введением контрольных точек для защиты от сбоев и т.п.
Банк данных в САПР является важной обслуживающей подсистемой, он выполняет функции информационного обеспечения и имеет ряд особенностей. В нем хранятся как редко изменяемые данные (архивы, справочные данные, типовые проектные решения), так и сведения о текущем состоянии различных версий выполняемых проектов.
Отличительные особенности СУБД третьего поколения: расширенный набор возможных типов данных (это абстрактные типы, массивы, множества, записи, композиции разных типов, отображения величин с значениями разных типов), открытость (доступность из разных языков программирования, возможность обращения к прикладным СУБД), непроцедурность языка (общепринятым становится язык запросов SQL), управление асинхронными параллельными процессами, состояние которых отражает БД. Последнее свойство позволяет говорить о тесной взаимосвязи СУБД и подсистемы управления проектами DesPM.
Названные особенности управления данными с САПР нашли свое выражение в современных подсистемах управления проектными данными PDM. В PDM разнообразие типов проектных данных поддерживается их классификацией и соответствующим выделением групп с характерными множествами атрибутов. Такими группами данных являются описания изделий с различных точек зрения (аспекты).
Для большинства САПР машиностроения характерными аспектами являются свойства компонентов и сборок, модели и их документальное выражение (основными примерами могут служить чертежи, 3Dмодели визуализации, сеточные представления для конечно-элементного анализа, текстовые описания), структура изделий, отражающая взаимосвязи между компонентами и сборками и их описаниями в разных группах.
Вследствие большого объема проектных данных и наличия ряда версий проектов PDM должна обладать развитой системой поиска нужных данных по различным критериям.
В СЕТЯХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
При сетевой организации автоматизированных систем информационное обеспечение может быть реализовано по одному из следующих вариантов: 1) FS –файловый сервер; 2) RDA – доступ к удаленным данным; 3) DBS – сервер баз данных; 4) AS – сервер приложений. Варианты различаются распределением между разными узлами сети функций хранения данных, управления данными, обработки данных в приложениях и интерфейса с пользователем.Вариант файл-сервер характерен для локальных сетей на персональных ЭВМ с небольшим числом пользователей. Вследствие интенсивного трафика и трудностей с защитой информации эта структура для большинства автоматизированных систем малоэффективна. Поэтому предпочтительнее иметь СУБД в узле сервера.
Вариант RDA – это модель удаленного узла, она наиболее распространена в настоящее время среди автоматизированных систем. В ней уменьшен трафик по сравнению с FS, унифицирован интерфейс с СУБД на основе языка SQL.
Дальнейший переход к системе распределенных вычислений приводит к перемещению прикладного ПО или его части на специальный сервер или сервер БД, т.е. реализуются двух- и трехзвенные схемы. DBS – двухзвенная структура дистанционного управления, основанная на разделении прикладных процедур на две части: индивидуальные для каждого пользователя и общие для многих задач. В этой структуре под приложением понимают совокупность именно общих процедур. Эта совокупность обычно представляется на процедурных расширениях SQL и сохраняется в специальном словаре БД. В альтернативных вариантах (например, в RDA) все прикладные процедуры включаются в прикладные программы и, следовательно, при необходимости их изменения приходится модифицировать практически все прикладное ПО. Выделение таких процедур в отдельное приложение облегчает их модификацию. Кроме того, в DBS снижается трафик, так как обмены по сети происходят не для каждой операции с БД, а для каждой транзакции, состоящей из нескольких операций. Транзакцией называют последовательность операций по удовлетворению запроса.
Вариант AS реализуется по трехзвенной схеме, в которой для приложений используются узлы, отделенные от терминального (локального) узла и от сервера БД, т.е. одновременно используются модели DBS и RDA.
Помимо проблемы распределения серверных функций между узлами сети, имеется проблема разделения этих функций между многими пользователями автоматизированных систем.
ПРОЕКТИРОВАНИЕМ В САПР
В зависимости от степени автоматизации управляющих функций можно выделить несколько уровней управления проектированием: 1) компонентный – на этом уровне пользователь должен знать специфические особенности каждой конкретной программы, используемой в маршруте проектирования; при организации маршрута он должен позаботиться об информационных интерфейсах используемых программ; другими словами, системная среда лишь представляет сведения об имеющихся программах и их интерфейсах; 2) ресурсный – пользователь по-прежнему оперирует программами при компиляции маршрута проектирования, но системная среда позволяет скрыть специфику каждой программы, так как общение унифицировано; 3) задачный – пользователь составляет маршрут проектирования не из отдельных программ, а из отдельных проектных процедур; покрытие маршрута программами выполняет системная среда; 4) проблемный – пользователь формулирует задания в форме "что нужно сделать", а не "как это сделать", т.е. не определяет маршрут проектирования, а ставит проектную проблему.В системных средах САПР управление проектированием возлагается на подсистему CAPE, в некоторых системах обозначаемую как DesPM (Design Process Manager). DesPM должна включать в себя компоненты: комплексы базовых знаний по тем предметным областям, которые определяются объектом проектирования, а также знаний о языках представления характеристик и ограничений; средства для генерации плана (маршрута проектирования), определения наличия средств и ресурсов для реализации плана; средства выполнения плана; средства оценки результатов. DesPM позволяет выбирать объекты проектирования, проводить декомпозицию моделей, для каждого компонента выбирать проектные процедуры из имеющегося набора.
Расширение возможностей управления проектированием и адаптация системной среды к конкретным САПР связано с применением языков расширения. Язык расширения – это язык программирования, позволяющий адаптировать и настраивать системную среду САПР на выполнение новых проектов.
Язык расширения должен обеспечивать доступ к различным компонентам системной среды, объединять возможности базового языка программирования и командного языка, включать средства процедурного программирования.
Управление процессом проектирования включает в себя большое число действий и условий, поддерживающих параллельную работу многих пользователей над общим проектом. Управление выполняется на основе моделей вычислительных процессов. Используются спецификации моделей, принятые в CASE-системах, например, диаграммы потоков данных, ориентированные графы. Сначала модели составляют для задачного уровня, а затем система осуществляет их покрытие.
В общем случае полная формализация управления проектированием не может быть достигнута, поэтому полезную роль играют системы поддержки решений, принимаемых людьми. В качестве таких систем часто используют хранилища данных и OLAP-средства (On-Line Analytical Processing).
Использование хранилищ данных имеет ряд преимуществ в управлении большими объемами данных: имеется единое ядро, что исключает чрезмерное разветвленные и длительные транзакции, легче синхронизировать внесение изменений, поддерживать единство форматов данных, хранить предыдущие версии и т.п.
В ряде системных сред САПР (прежде всего, в САПР машиностроения) в подсистемах PDM объединяются функции управления данными и проектированием. Пример такой PDM – подсистема Design Manager в САПР Euclid Quantum. Функциями этой PDM являются управление потоками проектных данных, версиями проекта, взаимодействием разработчиков, защита информации, конфигурирование и адаптация версий системы для конкретных пользователей.
Подсистема Design Manager в САПР Euclid Quantum состоит из частей пользовательской, администратора и управления структурой продукта.
В пользовательской части данные при выполнении проектирования могут находиться либо в распоряжении конкретного разработчика, в частности в его индивидуальной БД (User Area), либо в зоне работы рабочей группы (Workgroup Area), в частности в ее БД. Утвержденные данные пересылаются в центральную БД (Repository). Пересылка данных из User Area в Workgroup Area происходит по инициативе разработчика командами check in или share. Первая из них начинает процедуру контроля данных, вторая обеспечивает разделение данных между всеми участниками рабочей группы. Разработчик может запрашивать данные для начала нового проекта по команде copy out или для модификации существующего проекта по команде check out (рис. 56).
Данные в БД организованы иерархически, группируются по именам проектов или по типам данных.
Вызов данных из любой БД (UA, WGA, R) выполняется командой retrieve, посылка в БД – командой store. При обращении к БД пользователь видит структуру данных (директорию – имена папок и их частей) и определенный аспект данных выделенного в директории проекта. Такими аспектами могут быть свойства документа (имя, автор, дата, статус и т.п.), список версий проекта, 3D-изображение.
В функции администратора системы входят упорядочение данных с их распределением по дискам, контроль за правами доступа пользователей, связь с внешними системами (управление импортом – экспортом данных) и др.
Так, например, в системной среде NELSIS CAD Framework имеются следующие части: 1) DMS (Design Management Services) для поддержки иерархии данных, управления версиями и потоками задач;
2) DMI (Design Management Interface) с функциями открытия и закрытия баз данных, вызова и пересылки данных, доступа к DMS; 3) FUS (Framework User Services), включающая ряд браузеров для визуализации информации.
В NELSIS CAD Framework имеется несколько браузеров для общения с пользователем. Для каждого браузера может быть открыто свое окно.
1. Design Flow Browser – показывает взаимосвязь между проектными процедурами, историю получения объекта, список процедур, которые могут быть выполнены над объектом, позволяет задавать маршруты проектирования, вызывать проектные процедуры и задавать их параметры.
2. Hierarchy Browser – показывает граф иерархии и место объекта в ней.
3. Version Browser – показывает все виды (view types), статусы и номера версий выбранного объекта. Он может показать отношения эквивалентности, т.е. объекты, выражающие разные аспекты, например, топологию, схему, результаты моделирования физического объекта.
4. Equivalence Browser – отношения эквивалентности для выбранного объекта.
5. Schema Browser – показывает сущности и их отношения в виде схемы данных, в отдельном окне показываются запросы к БД и ответы на них.
4.9. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДЫ РАЗРАБОТКИ
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
CASE-системы часто отождествляют с инструментальными средами разработки ПО, называемыми средами быстрой разработки приложений (RAD – Rapid Application Development). Примерами широко известных инструментальных сред RAD являются Visual Basic, Delphi, PowerBuilder фирм Microsoft, Borland, PowerSoft, соответственно. Применение инструментальных средств существенно сокращает объем ручной работы программистов, особенно при проектировании интегративных частей программ.Большое практическое значение имеют инструментальные среды для разработки прикладных программ, предназначенных для работы под управлением операционных систем Windows, в связи с широкой распространенностью последних.
Простейшая система для написания Windows-программ на языке C++, основана на использовании библиотеки Dynamic Link Library, которая содержит модули, реализующие функции Application Programming Interface для связи прикладных программ с ОС Windows. Эта система получила развитие в Microsoft Foundation Classes, представляющей собой библиотеку классов для автоматического создания каркасов программного обеспечения многоуровневых приложений. В библиотеке имеются средства для поддержания оконного интерфейса, работы с файлами и др.
В средах быстрой разработки приложений RAD обычно реализуется способ программирования, называемый управлением событиями. При этом достигается автоматическое создание каркасов программ, существенно сокращается объем ручного кодирования. В этих средах пользователь может работать одновременно с несколькими экранами (окнами). Типичными являются окна из следующего списка.
1. Окно меню с пунктами "file", "edit", "window" и т.п., реализующими функции, очевидные из названия пунктов.
2. Окно формы, на котором собственно и создается прототип экрана будущей прикладной программы.
3. Палитра инструментов – набор изображений объектов пользовательского интерфейса, из которых можно компоновать содержимое окна формы.
4. Окно свойств и событий, с помощью которого ставятся в соответствие друг другу объекты окна формы, события и обработчики событий. Событием в прикладной программе является нажатие клавиши или установка курсора мыши в объект формы. Каждому событию должна соответствовать событийная процедура (обработчик события), которая проверяет код клавиши и вызывает нужную реакцию. В RAD имеются средства для удобства разработки обработчиков событий.
5. Окно редактора кода, в котором пользователь записывает создаваемую вручную часть кода.
6. Окно проекта – список модулей и форм в создаваемой программе.
Для написания событийных процедур в Visual Basic используется язык и текстовый редактор одноименного языка, в Delphi – язык и редактор языка Object Pascal. В CASE-системе фирмы IBM, включающей части VisualAge (для клиентских приложений) и VisualGen (для серверных приложений), базовым языком выбран SmallTalk. В среде разработки приложений клиент-сервер SQLWindows оригинальные фрагменты программ пишутся на специальном языке SAL.
Помимо упрощения написания пользовательского интерфейса, в средах RAD предусматриваются средства для реализации и ряда других функций. Так, в наиболее развитой версии Visual Basic к ним относятся средства выполнения следующих функций:
• поддержка ODBC, что дает возможность работы с различными СУБД;
• разработка баз данных;
• разработка трехзвенных систем распределенных вычислений;
• интерактивная отладка процедур на SQL Server;
• управление версиями при групповой разработке программного обеспечения;
• моделирование и анализ сценариев распределенных вычислений.
Для создания сред в RAD в случае сетевого программирования требуется решить ряд дополнительных проблем, обусловленных многоплатформенностью в гетерогенных сетях, обилием применяемых форматов данных, необходимостью защиты информации и т.п. Решение этих проблем достигнуто в объектно-ориентированных технологиях на базе языка сетевого программирования Java. Кроме того, с помощью Java удается решить еще одну актуальную для Internet и Intranet задачу – сделать Webстраницы интерактивными.
Платформенная инвариантность в Java достигается благодаря введению виртуальной метамашины с системой команд, максимально приближенной к особенностям большинства машинных языков. Любой Web-сервер при наличии запроса на Java-программу со стороны клиента транслирует (компилирует) эту программу на язык метамашины. Скомпилированный модуль, называемый байт-кодом, пересылается клиенту. Клиент должен выполнить интерпретацию байт-кода. Соответствующие интерпретаторы в настоящее время имеются в браузерах всех основных разработчиков Web-технологий.
Java используется двояким образом. Во-первых, как средство "оживления" Web-страниц. В этом случае программный Java-компонент называют аплетом, аплет встраивается в страницу с помощью специального тега, имеющегося в языке HTML. Во-вторых, Java – универсальный язык программирования и может быть использован для написания любых приложений, не обязательно привязанных к Webтехнологии.
Хотя и ранее были известны технологии на базе промежуточных p-кодов, именно технология Java оказалась наилучшим образом приспособленной для использования в гетерогенной сетевой среде. Она последовательно отражает принципы объектно-ориентированного программирования и обеспечивает приемлемую эффективность (производительность) исполнения программ. Эту эффективность можно еще более повысить, если в браузерах заменить интерпретацию на компиляцию.
Для разработки программного обеспечения на языке Java создан ряд инструментальных средств.
Основной средой является Java Developer’s Kit. В ней имеются: 1) библиотеки классов, в том числе библиотеки основных элементов языка, часто используемых оболочек (wrapper), процедур ввода-вывода, компонентов оконного интерфейса и др.; 2) инструментальные средства такие, как компилятор байткодов, интерпретатор, просмотрщик аплетов, отладчик, формирователь оконных форм и т.п. Развитую RAD-среду – PowerJ предлагает фирма Sybase.
4.9.1. КОМПОНЕНТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Появление компонентно-ориентированных технологий вызвано необходимостью повышения эффективности разработки сложных программных систем, являющихся в условиях использования корпоративных и глобальных вычислительных сетей распределенными системами. Компонентноориентированные технологии основаны на использовании предварительно разработанных готовых компонентов.
Компиляция программ из готовых компонентов – идея не новая. Уже первые шаги в области автоматизации программирования были связаны с созданием библиотек подпрограмм. Конечно, для объединения этих подпрограмм в конкретные прикладные программы требовалась ручная разработка значительной части программного кода на языках третьего поколения. Упрощение и ускорение разработки прикладного программного обеспечения достигается с помощью языков четвертого поколения (4GL), но имеющиеся системы на их основе являются специализированными и не претендуют на взаимодействие друг с другом.
Современные системы интеграции программного обеспечения построены на базе объектной методологии.
Так, выше приведены примеры библиотек классов, применяя которые прикладные программисты могут создавать субклассы в соответствии с возможностями наследования, заложенными в используемые объектно-ориентированные языки программирования. При этом интероперабельность компоентов в сетевых технологиях достигается с помощью механизмов, подобных удаленному вызову процедур RPC.
Преимущества использования готовых компонентов обусловлены тщательной отработкой многократно используемых компонентов, их соответствием стандартам, использованием лучших из известных методов и алгоритмов.
В то же время в компонентах библиотек классов спецификации интерфейсов не отделены от собственно кода, следовательно, использование библиотек классов не профессиональными программистами проблематично. Именно стремление устранить этот недостаток привело к появлению компонентноориентированных технологий разработки программного обеспечения.
Возможны два способа включения компонентов (модулей) в прикладную программу – модернизация (reengineering) или инкапсуляция (wrapping).
Модернизация требует знания содержимого компонента, интероперабельность достигается внесением изменений собственно в сам модуль. Такой способ можно назвать способом "белого ящика". Очевидно, что модернизация не может выполняться полностью автоматически, требуется участие профессионального программиста.
Инкапсуляция выполняется включением модуля в среду с помощью интерфейса – его внешнего окружения (оболочки –wrapper). При этом компонент рассматривается как "черный ящик": спецификации, определяющие интерфейс, выделены из модуля, а детали внутреннего содержимого скрыты от пользователя. Обычно компоненты поставляются в готовом для использования виде скомпилированного двоичного кода. Обращения к модулю возможны только через его интерфейс. В спецификации интерфейса включаются необходимые для интероперабельности сведения о характеристиках модуля – модульная абстракция. В состав этих сведений могут входить описания всех входных и выходных для модуля данных, структура командной строки для инициализации процедур, сведения о требуемых ресурсах.
Компонентно-ориентированные системы построены на основе инкапсуляции компонентов. В архитектуре этих систем можно выделить следующие части: 1) прикладная программа (клиент), создаваемая для удовлетворения возникшей текущей потребности; 2) посредник (брокер или менеджер), служащий для установления связи между взаимодействующими компонентами и для согласования их интерфейсных данных; 3) множество компонентов, состоящих каждый из программного модуля (объекта), реализующего некоторую полезную функцию, и оболочки (интерфейса). В спецификации интерфейса могут быть указаны характеристики модуля, реализуемые методы и связанные с модулем события.
Собственно интерфейс представляет собой обращения к функциям модуля, называемым в CBDтехнологиях методами. Эти обращения переводятся в двоичный код, что обеспечивает при их использовании независимость от языка программирования. Один и тот же модуль может реализовывать несколько разных функций, поэтому у него может быть несколько интерфейсов или методов. Каждый новый создаваемый интерфейс обеспечивает доступ к новой функции и не отменяет прежние возможно еще используемые интерфейсы.
Схематично взаимодействие компонентов можно представить следующим образом. Клиент обращается с запросом, выраженном на языке IDL, на выполнение некоторой процедуры. Запрос направляется менеджеру. В менеджере имеется предварительно сформированный каталог каталог (реестр или репозитарий) интерфейсов процедур с указанием компонентов-исполнителей. Менеджер перенаправляет запрос соответствующему исполнителю. Исполнитель может запросить параметры процедуры. После выполнения процедуры полученные результаты возвращаются клиенту.
В большинстве случаев реализуется синхронный режим работы, заключающийся в приостановке процесса клиента после выдачи запроса до получения ответа.
Наиболее популярными в настоящее время являются следующие:
CBD-технологии.
OpenDoc – технология, основанная на спецификациях CORBA, разработанных в начале 90-х гг. В OpenDoc реализуется технология распределенных вычислений на базе программ-посредников ORB.
• Common Object Model – технология, развиваемая корпорацией Microsoft на базе механизмов OLE.
Сетевой вариант этой технологии (для распределенных вычислений) известен под названием DCOM (в частности, объекты, которые можно вставлять в HTML-документы или к которым можно обращаться из Web-браузеров) известны под названием компонентов ActiveX. В COM/DCOM, как и в OpenDoc, можно использовать компоненты, написанные на разных объектно-ориентированных языках программирования. Но в отличие от OpenDoc в COM/DCOM остается естественная для Microsoft ориентация только на операционные системы Windows (реализация DCOM предусмотрена в ОС Windows NT 4.0). Технология ActiveX обеспечивает интерфейс для управления объектами одного приложения из другого. В общем плане ActiveX – технология интеграции программного обеспечения фирмы Microsoft. Например, используя эту технологию, можно в среде VBA организовать доступ к объектам AutoCAD.
• JavaBeans – сравнительно новая технология, в которой используются компоненты, написанные на языке Java.
Основные идеи компонентно-ориентированной (объектной) технологии с созданием расширенных специализированных библиотек компонентов реализованы в системе CAS.CADE (Computer Aided Software/ Computer Aided Design Engineering) фирмы Matra Datavision. Система CAS.CADE состоит из нескольких частей. Основными частями являются библиотеки классов и инструментальная среда для создания программного обеспечения технических и научных приложений.
Библиотеки (Object Libraries) в CAS.CADE представляют собой специализированные наборы заранее разработанных компонентов на языке С++. Совокупность библиотек имеет иерархическую структуру. Базовые компоненты соответствуют классам объектной методологии. Примерами компонентов являются строки, списки, точки, матрицы, линии, поверхности, деревья, решатели уравнений, операторы сортировки, поиска на графах и т.п. Классы группируются в пакеты, пакеты – в наборы, наборы – в домены.
В CAS.CADE выделено несколько библиотек. Во-первых, это библиотеки 2D- и 3D-моделирования, включающие компоненты для определения, создания и манипулирования геометрическими моделями.
Во-вторых, ряд библиотек предназначен для связи с ОС и управления данными, обмена с внешними CAD системами, создания сеточных моделей и др. Необходимо отметить, что основные приложения, на которые ориентирована CAS.CADE, – это приложения машинной графики и геометрического моделирования, поэтому в системе наиболее развиты библиотеки графических и геометрических компонентов.
С помощью CAS.CADE создают специализированные САПР при сравнительно малых затратах времени и средств.
5. МУЛЬТИМЕДИЙНЫЙ КОМПЛЕКС – СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ
Внедрение новых информационных и телекоммуникационных технологий во все сферы жизни современного общества совершенно очевидно. Развитие этого процесса в сфере образования повлекло за собой множество методических, организационных и теоретических проблем. Здесь мы рассматриваем только одну из них, а именно – структуру электронного учебника с позиции ближайшей перспективы, которую обеспечивает процесс развития и совершенствования теории и техники информационных систем.Конечная цель обучения состоит в том, что обучаемый должен владеть теоретическими основами изучаемого предмета, уметь применять их для решения конкретных задач и иметь навыки практического применения этого умения. Для достижения этих целей предусмотрены лекции, практические занятия и лабораторные практикумы. Эти виды занятий поддерживаются соответствующей литературой, причем практика преподавания выработала соответствующие виды изданий: учебник и учебные пособия – для изложения заданий, задачники и методические указания – для развития умения и навыков.
Какие же изменения уже произошли и происходят с этой дидактической триадой в связи с общим развитием системы знаний и информационных технологий? Их можно сформулировать следующим образом:
• инженерная практика требует интеграции знаний, придания им системного характера;
• современные технические средства в сочетании с пакетами прикладных программ позволяют избавить инженера от рутинных операций по применению известных теоретических методов для решения конкретных задач;
• сложность решаемых задач и ответственность за правильность принимаемых решений значительно повышают роль математического моделирования (имитационного, аналитического, численного) реальных объектов и процессов.
С этих позиций следует рассматривать требования к информационному обеспечению учебного процесса (этот термин имеет весьма общий характер, покрывая все источники, откуда обучающийся может получать информацию, необходимую для своего профессионального становления):
• информационное обеспечение должно обеспечивать минимум информации, необходимой для овладения специальностью или отдельной дисциплиной в объеме, предусмотренном образовательными стандартами, и в то же время должны быть предусмотрены возможности расширения области знания;
• нет смысла структурировать информационное обеспечение учебного процесса в соответствии с классической триадой (знания, умения, навыки);
• общая организация информационного обеспечения должна исключить (или, по крайней мере, свести к минимуму) участие УЧИТЕЛЯ в обучении рутинным операциям профессиональной деятельности;
• условия работы с информационным обеспечением должны удовлетворять основным эргономическим требованиям;
• необходимо учитывать, что значительный объем необходимой информации хранится в форме баз данных и баз знаний, т.е. в форме электронных документов.
Одним из вариантов построения информационной системы обеспечения учебного процесса, удовлетворяющей перечисленным требованиям, может быть следующий.
Основу системы составляет база данных – совокупность информационных массивов, каждый из которых является отдельным функционально законченным фрагментом информационного обеспечения (например, разделом учебника). Каждый такой фрагмент организуется таким образом, чтобы допускать управляемое логическое и техническое (программное) соединение с некоторой совокупностью других фрагментов. Это и будет электронный учебник, который представляет собой гипертекстовую систему с адаптивными связями между фрагментами, обеспечивающую возможность адаптивной компоновки нелинейного текста. Маршрутизация компоновки формируется навигатором, входящим в состав системы управления базой данных. Он дает указания компоновщику гипертекста об объединении соответствующих фрагментов. Управление навигатором осуществляется по нескольким контурам: 1) непосредственно пользователем в процессе работы; 2) пользователем по результатам анализа процесса обучения; 3) программой-анализатором по результатам автоматического тестового контроля знаний пользователя; 4) учителем по результатам личного общения с учащимся.
Какие же дополнительные (по сравнению с бумажным учебником) средства должны содержаться в электронном учебнике? Это, во-первых, система самопроверки знаний; во-вторых, система рубежного контроля; в-третьих, электронный учебник должен удовлетворять требованиям совместимости с электронной экзаменационной системой. Естественно, все эти дополнительные электронные средства должны давать возможность организовывать сравнительно простые схемы дистанционного образования.
Обратимся к системе самопроверки знаний в электронном учебнике и рассмотрим, каким требованиям она должна удовлетворять.
1. Главное требование к системе самопроверки знаний (самоконтроля) заключается в том, что тестовых вопросов должно быть много и совокупность этих вопросов по содержанию, должна охватывать весь материал учебника; кстати, эти вопросы могут быть использованы для экзаменационного тестирования.
2. Вопросы должны подаваться испытуемому в случайном порядке; это исключает возможность механического запоминания обучаемым последовательности вопросов.
3. Испытуемый должен каждый раз читать вопрос и осмысливать его, т.е. запоминать вопрос по смыслу, а не по порядку его следования или символу, его обозначающему.
4. Должен проводиться учет времени, затраченного на ответы, причем должны быть установлены ограничения на это время. Учет времени – один из способов борьбы со шпаргалкой. Чтобы иметь положительный результат самопроверки, нужно давать ответы не только правильно, но и достаточно быстро. Практика показывает, что среднее достаточное время для ответа на один вопрос – одна минута.
5. Целесообразно всю совокупность вопросов распределить по темам, чтобы обучающийся мог проверить уровень усвоения им учебного материала после изучения каждой темы (а также организовать рубежный контроль знаний).
6. В тестовую систему должна быть включена оценка степени правильности ответа на каждый заданный обучающемуся вопрос. Предлагается определять эту степень формально и в процентах. Окончательную отметку ставит преподаватель, ориентируясь на формальную оценку системы.
7. Компьютерный тест должен быть простым в использовании: представление вопросов на экране должно быть спроектировано дизайнером, а возможные действия обучающегося при ответе на вопрос продуманы эргономистом. В любом случае на экране должен быть минимум управляющих кнопок, и инструкции-подсказки по действиям обучающегося должны появляться только в нужное время в нужном месте, а не присутствовать на экране постоянно, загромождая его.
8. Тестовые вопросы и варианты ответов на них должны быть понятными по содержанию.
Технологии компьютерного образования не только стоят в одном ряду с традиционными формами обучения, но и являются главенствующими при дистанционной форме преподавания дисциплин, в экстернате, дополнительном профессиональном, кардинально меняют основную форму – очное обучение.
В нашем понимании электронный учебник как одна из форм технологии компьютерного обучения представляет собой набор мультимедиа – курсов (уроков) с анимацией, видео, звуковым сопровождением, записанных на CD-диске и имеет хорошие технические возможности для реализации различных дидактических идей.
Электронный учебник, естественно, не сможет заменить общения с преподавателем. Дополнительно учащиеся должны иметь возможность изучать теоретическую часть курса – лекции, печатные материалы. Настоящее учебное пособие и является таким комплексом, в котором соединены традиционный печатный учебник и электронный. Этот комплекс разработан с учетом рекомендаций, представленных в ряде интересных работ [61 – 65] естественно не все рекомендации этих работ могут быть приняты безоговорочно. Например, нельзя согласиться, на наш взгляд, с одним из положений работы [61], где говориться о том, что учебное пособие может быть подготовлено на бумаге и продублировано в виде гипертекстового аналога на компьютере. Да, такое дублирование учитывает некоторые индивидуальные наклонности студентов, так как одни воспринимают текст с экрана лучше, чем с печатного листа, другие наоборот.
Электронный учебник, не исключая дублирования, должен содержать как можно больше иллюстрационных элементов, которые принципиально нельзя показать ни на доске, ни в печатном учебнике, ни на слайде (аудио-, видео-, анимационные материалы).
Такой электронный учебник вместе с традиционным печатным материалом будет соответствовать дуализму человеческого мышления [62] и способствовать изучению дисциплины на высоком уровне. В той же работе [62] и монографии [63] речь идет о когнитивной (т.е. способствующей познанию) компьютерной графике. На наш взгляд, это в полной мере относится и к электронному учебнику, как составляющей части настоящего учебного комплекса.
у студента необходимого эмоционального настроения также способствует гуманитарная оболочка обучающей программы [64]. Для достижения этой цели в нашем электроном учебнике предусмотрены музыкальные вставки и цвет при оформлении изучаемого материала различных разделов.
Глубокому анализу проблем гуманитаризации образования и решению вопросов психологического обеспечения процесса обучения посвящена работа [65]. Авторы указанной работы особо отмечают, что целью использования психологических средств в организации учебного процесса является создания и подержания заинтересованности учащихся, как самим ходом процесса обучения, так и его результатами. И далее, цитируя авторов: "Последние должны восприниматься учащимися не только как практически полезные сведения и навыки, необходимые для профессиональной работы, но и как фундаментальные идеи и положения, описывающие естественнонаучные, гуманитарные и культурные основы современного мира. Именно такой подход к гуманитаризации современного образования, по-видимому, должен являться одним из основных условий при получении техническими высшими учебными заведениями статуса технических университетов".
Авторы цитируемой работы также предупреждают создателей компьютерных обучающих программ об опасностях или ловушек общения между студентом и компьютером, "которые следуют из фундаментальных трудностей актов коммуникации". В основе этого лежит тот факт, что субъекты коммуникации преподаватель и студент принципиально не тождественны друг другу. "Они не обладают одинаковым внутренним миром, одинаковыми системами ценностей, одинаковыми приоритетами мотиваций, наконец, субъекты общения не имеют полной логической конгруэнтности". И как следствие этого, разработчик компьютерной обучающей программы невольно навязывает студенту свои приоритеты и свою систему навигации при изучении дисциплины.
Одним из опасных моментов при разработке электронного учебника является ориентация его на "среднего" студента без учета диапазона мотиваций обучения: от искреннего желания глубокого изучения дисциплины до "как бы сдать экзамен".
Серьезной опасностью, по мнению автора работы [62], является влияние компьютеризации инженерной подготовки на мышление студента. В процессе обучения, по мнению автора этой работы, необходимо делать упор на развитие инженерного "чутья", в основе которого находятся знания фундаментальных физических свойств технических объектов и процессов, умение глубоко анализировать эти свойства. "Чтобы строить адекватные математические модели, необходимо глубоко понимать физическую природу объектов моделирования". Для учета исходного уровня знаний, способностей и мотиваций нами предпринята попытка создания двухуровнего изложения материала изучаемой дисциплины в мультимедийном комплексе. Первый уровень рассчитан на более подготовленного студента, а для второго уровня характерным является подробное изложение дисциплины с большим количеством иллюстративного материала. Это в некоторой степени обеспечивает индивидуальный подход при обучении студентов. Кроме того, использование нескольких уровней представления материала, на наш взгляд, несет в себе элементы тестирования своих знаний обучаемого. Также многоуровневая структура и хорошая оболочка его уменьшает причины появления у обучаемого дискомфорта и ощущения своей непригодности.
Разрабатывая электронные учебники, необходимо учитывать специфику дисциплин. Например, рассматриваемый курс "Проектирование химических предприятий" базируется на совокупности многих дисциплин, некоторые из них изучались студентами в первых семестрах и основательно забылись. Кроме того, обучаемые должны знать элементы тех дисциплин, преподавание которых не предусмотрено учебным планом ("Основы промышленного строительства"). Поэтому только нетрадиционные методы представления изучаемого материала, в данном случае анимация, позволяет, как показывает опыт, успешно освоить такой курс.
Результаты этого анализа и рекомендации, вытекающие из него, мы пытались реализовать при разработке мультимедийного комплекса.
Этот комплекс по проектированию выполнен в среде Power Point программного пакета MS Office, позволяющей совмещать видео файлы, звук, музыкальное сопровождение, текст, растровые файлы. Все это представляет учебный материал в различных формах и использует средства мультимедиа в полном объеме. Для работы с комплексом требуется компьютер IBM PC с процессором не ниже Pentium 166, ОЗУ 64 Мб, звуковой картой, 100 Мб свободного места на системном диске и полного программного пакета MS Office.
Такие высокие требования к компьютеру обусловлены наличием большого количества графической информации на некоторых виртуальных страницах, которая дается в совокупности со звуковым сопровождением. Многие анимации занимают несколько слайдов, которые "прокручиваются" автоматически.
Последовательность работы с учебником такова:
• запустить CD – щелчком левой кнопки мыши открыть файл "Основы проектирования ";
• нажать "начать показ" или клавишу F5.
При запуске основного файла, содержащего главное меню, он автоматически переписывает с СD в каталог TEMP системного диска (обычно это диск С). Этот файл содержит в себе гиперссылки, которые позволяют открывать файл с нужным курсом. При щелчке мыши на выбранной гиперссылке требуемый файл также переписывается в каталог TEMP системного диска. При выходе из какого либо курса главное меню – файл содержащий этот курс автоматически из каталога TEMP стирается. Поэтому для нормальной работы программы требуется около 100 Мб свободного места. Мультимедийный комплекс на базе IBM PC состоит из главного файла меню "Основы проектирования", файлов, содержащих меню каждого курса, и файлов, содержащих курсы (уроки). Файл "Основы проектирования" необходимо запускать для просмотра учебника, остальные файлы подгружаются автоматически по мере продвижения по учебнику.
При создании комплекса было выбрано несколько принципов представления учебного материала.
Основополагающий принцип – максимальная замена текстовой информации на графическую (статическую и динамическую) и звуковое сопровождение. Если это чертеж, то на экране идет его построение.
Если речь идет о зданиях или строительных элементах, даются их фотографии или трехмерные изображения. Формулировки и определения даются на экране шрифтом не ниже 24 кегля.
В мультимедийном комплексе используется двухуровневая иерархия. На первом уровне даются основные понятия и формулировки на втором – расшифровки основных понятий и подробные пояснения.
Как первый так и второй уровни имеют разветвленную структуру. Для перехода с одного уровня на другой или в другие ветви текущего уровня, а также для перелистывания страниц, применяется гипертекстовая технология. Для гипертекстовых переходов используются активные слова, которые выделены цветом с тенью, кнопки, на которых написано название открываемого объекта и активные блоки.
Каждая тема комплекса выделена своим цветом. При открытии темы сначала показывается ее номер, затем цвет, название, после чего открывается меню темы. Из этого меню можно вызвать любой интересующий нас урок.
Представленные выше результаты анализа работ по созданию компьютерных обучающих программ, структура и методика разработки нашего мультимедийного комплекса могут служить элементами учебной дисциплины "Информационные технологии обучения", которую предлагает автор работы [61] включать в программы ФПК и учебные планы вузов: "Полученные знания понадобятся будущим специалистам, в потенциале руководителям различных подразделений на предприятиях и в организациях, квалифицированно решать вопросы подготовки и переподготовки кадров. К тому же, компьютерные обучающие системы становятся обязательным элементом при внедрении новых сложных машин и технологий. Поэтому их разработчики должны знать принципы создания и использования информационных технологий обучения".
Развитие информатики открывает новые, эффективные пути решения теоретических и практических задач в различных областях человеческой деятельности. Одной из таких задач является передача знаний от профессионала молодому специалисту, осуществляемая с помощью компьютера. Принято различать декларативные знания, то есть знания о фактах, явлениях и закономерностях, и процедуральные знания, представляющие собой умение решать задачи. Процедуральные знания возникают на основе декларативных исключительно путем интенсивной практики. Обладание ими отличает квалифицированных специалистов (экспертов) от новичков.
Компьютерные системы обучения декларативным знаниям появились достаточно давно и достигли высокого уровня совершенства благодаря современным технологиям гипертекста и мультимедиа. Существенно большие трудности связаны с передачей второго вида знаний, так как для этого необходима среда, в которой можно научить решению задач, основываясь на процедуральных знаниях эксперта. То есть должна быть построена модель процесса решения задач рассматриваемой предметной области.
Создание подобных моделей для таких областей, как типовые математические задачи, – не проблема, поскольку в данном случае эксперт-математик может явно сформулировать идеальную стратегию, следуя которой новичок придет к корректному решению. Иначе обстоит дело со многими недостаточно определенными областями знаний, например, медицинской диагностикой или проектированием промышленных объектов.
Парадокс заключается в том, что опытный проектировщик, принимая решение во многих сложных случаях, не способен сформулировать правила своего поведения. Он может продемонстрировать пример готового решения, может его аргументировать, может повторить решение, но не рассказать, как он это делает. Исследования показывают, что по крайней мере часть знаний эксперта хранится на подсознательном уровне и не может быть вербализована [66]. Стратегия принятия решений, которую проектировщик-эксперт может сформулировать в явном виде, представляет лишь наиболее простую и очевидную составляющую его знаний. Поэтому модели принятия проектных решений, построенные на основе вопросов типа "Как вы это делаете?", имеют мало общего с тем, как на самом деле проектировщикэксперт принимает решения.
Очевидно, что экспертом становятся не сразу. Согласно исследованиям в области когнитивной психологии, человек достигает высот профессионального мастерства не ранее, чем спустя 10 лет интенсивной практики. За это время не только увеличивается объем его знаний, но и меняется их структура, стратегия мышления. Можно ли сократить этот срок, используя эффективные системы обучения? Как без искажений передать знания эксперта сначала этим системам, а затем и обучаемым? Как организованы эти знания?
Основными этапами создания такой системы обучения являются:
• построение базы знаний, которая позволила бы формальным образом с высокой точностью имитировать решения эксперта;
• создание на основе этой базы знаний интерактивной среды обучения, помогающей новичку приобрести устойчивые навыки решения задач, близкие к навыкам эксперта.
Построение базы знаний – наиболее трудоемкий этап разработки экспертных систем. Сложность и ответственность этой задачи даже обусловили возникновение новой специальности – инженера-когнитолога, работающего в контакте с экспертами и профессионально занимающегося построением баз знаний. Мы должны так построить процесс извлечения знаний, чтобы от эксперта не требовалась формулировка эвристических правил, была обеспечена возможность проверки полученных знаний на непротиворечивость, а сам процесс укладывался в разумные временные рамки. Разработанный специалистами Института системного анализа РАН метод экспертной классификации, предназначенный для построения полных и непротиворечивых баз экспертных знаний, вполне удовлетворяет этим требованиям [66].
После того как определен способ компактного представления знаний эксперта, необходимо переходить к исследованию проблемы эффективного обучения искусству проектирования. Цель обучения – создание в долговременной памяти новичка подсознательных решающих правил, позволяющих ему действовать так же, как действует эксперт. При этом для обучаемого необходимо создание условий, в которых могут сформироваться подсознательные правила принятия решений, близкие к правилам эксперта. Обучение подсознательным решающим правилам – одно из направлений исследований в когнитивной психологии.
Обучение начинается с задач наименьшей сложности и заключается в самостоятельном решении большого количества задач методом проб и ошибок. Решающие правила эксперта, используемые в качестве эталона классификации, в явном виде обучаемому не сообщаются. Вместо этого при неправильном ответе предоставляются объяснения, аналогичные объяснениям эксперта своих действий.
Если испытуемый безошибочно решает достаточно длинную последовательность задач, то система повышает их сложность, предъявляя объекты следующего слоя. На основании данных о правильно и неправильно решенных задачах система строит прогноз решения для тех задач, которые еще не предъявлялись. При этом последующие задачи выбираются таким образом, чтобы как можно быстрее ликвидировать пробелы в знаниях обучаемого. Процесс обучения завершается, когда новичок способен уверенно решать задачи наивысшего уровня сложности, включая граничные объекты.
На наш взгляд, описание компьютерной системы обучения процедуральным знаниям свидетельствует о принципиально новых возможностях подготовки инженеров-проектировщиков в тех областях, где от них требуются практические умения. Начинающие проектировщики смогут за более короткий срок и ценой меньшего числа ошибок овладеть навыками проектного дела, близкими к умению опытных проектировщиков. Эти навыки молодые специалисты могут дальше развивать и совершенствовать в ходе своей практики.
6. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО И ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТОВ
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО И ДИПЛОМНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Учебное проектирование – самостоятельная работа студента, основной целью которой является развитие и закрепление теоретических знаний и расчетно-графических навыков при решении практических инженерных проблем с использованием последних достижений науки и техники, а также новых информационных технологий.Тематика проектов направлена на решение следующих задач:
• создание новых энергосберегающих и безотходных технологических процессов;
• разработка нового технологического оборудования, основанная на использовании современных достижений науки и техники;
• модернизация известных модулей машин и аппаратов;
• создание экспериментального оборудования, установок и стендов с целью исследования технологических процессов;
• разработка подсистем автоматизированного расчета технологических установок, анализ эффективности их функционирования методом математического моделирования;
• разработка электронных версий учебников по специальности;
• разработка прогрессивных методов монтажа и ремонта оборудования;
• механизация и роботизация трудоемких ручных операций технологических производств;
• разработка мероприятий и оборудования по охране окружающей среды.
При проектировании на первый план выдвигаются вопросы повышения технического уровня производства, качества производимой продукции, эффективности использования оборудования.
В зависимости от рейтинга студенту выдается задание на выполнение типового проекта, проекта с исследовательской частью или исследовательской работы.
Проект (работа) состоит из расчетно-пояснительной записки (РПЗ) и графической части (чертежей, графиков), содержание и объем которых определяется видом проекта (работы).
6.1. ОРГАНИЗАЦИЯ КУРСОВОГО И ДИПЛОМНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Тематика курсовых и дипломных проектов определяется кафедрой, исходя из предложений промышленных предприятий, НИИ, и проектных организаций, которые являются базами производственной практики студентов. Темы проектов (работ) и их содержание подлежат рассмотрению на заседании кафедры.Студент, получив тему проекта (работы), заполняет совместно с руководителем перед прохождением практики бланк задания с указанием задач проектирования. В соответствии с темой проекта студент в процессе прохождения практики собирает исходные материалы для проектирования, намечает с руководителями от университета и базы практики пути модернизации оборудования с целью улучшения качества выпускаемой продукции и повышения технико-экономических показателей производства, повышения экологической безопасности и т.п.
Студент работает над проектом под руководством преподавателя, который консультирует его и контролирует график выполнения проекта. При дипломном проектировании выполнение студентом экономического обоснования, обеспечения БЖД обслуживающего персонала, разработки функциональной схемы автоматизации и чертежей осуществляется под контролем и консультацией специалистов в соответствующих областях и нормоконтролера.
Следует особо подчеркнуть, что руководитель проекта, консультанты и нормоконтролер помогают студенту в достижении требуемого уровня проекта, не давая при этом готовых решений. Они не несут ответственности за график выполнения и качество проекта. Студент является единоличным автором проекта и несет всю ответственность за технический уровень и качество проекта.
Готовый проект студент представляет для проверки руководителю: курсовой за одну неделю до защиты, дипломный (с подписями консультантов и нормоконтролера) за две недели до предварительной защиты, на которой определяется степень готовности проекта и дипломника. После предварительной защиты дипломный проект со всеми подписями и отзывом руководителя представляется студентом заведующему кафедрой (за неделю до защиты на ГАК) для просмотра и подписи. При выполнении всех требований, предъявляемых к дипломному проекту, заведующий кафедрой подписывает чертежи, РПЗ, дает письменное заключение по представленным материалам и направляет проект на рецензию.
Студент, не вышедший по уважительной причине на защиту дипломного проекта, может быть допущен к защите до конца текущего календарного года.
Студент, не допущенный к защите по неуважительной причине и отчисленный из университета, должен восстановиться в число студентов следующего учебного года и повторить заново весь цикл дипломного проектирования.
Для проведения защиты проектов создаются комиссии: курсовой проект защищается перед комиссией из числа преподавателей кафедры. Для защиты дипломных проектов создается и утверждается приказом ректора Государственная аттестационная комиссия (ГАК), в состав которой входят ведущие специалисты промышленных предприятий, а также профессора и доценты выпускающих и общеинженерных кафедр высших учебных заведений.
Графики выполнения и защиты проектов составляются заранее и вывешиваются на доске объявлений выпускающей кафедры.
Защита проекта – ответственный акт подведения итогов обучения студента в вузе. Существенную роль при этом играет доклад, в котором студент должен лаконично и понятно изложить суть разработанных в проекте технических решений. Продолжительность доклада должна быть не более 10 минут. Рекомендуется следующая структура доклада:
• раскрытие актуальности и целесообразности темы проектирования, постановка задач, решаемых в ходе проектирования (1 мин);
• краткое изложение технологии производства (2 мин);
• изложение решений принятых при компоновке оборудования (1 мин);
• изложение конструкции и принципа действия технологического объекта (машины, аппарата, установки и т.д.), освещение конкретных технических решений по модернизации оборудования (5 мин);
• оценка эффективности проекта (0,5 мин);
• выводы по результатам проектирования (0,5 мин).
Доклад должен быть неразрывно связан с графической честью проекта, несущей наглядную информацию о технических разработках и сопровождаться ссылками на соответствующие чертежи. Вся графическая документация должна быть расположена в порядке изложения материала в докладе.
После доклада члены комиссии задают вопросы, на которые студент должен дать исчерпывающие ответы. Затем (при защите дипломного проекта) зачитывается рецензия на проект и предоставляется слово дипломнику для ответа на замечания рецензента.
6.2. СТРУКТУРА, ОБЪЕМ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНЫХ ЗАПИСОК И ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ
ПРОЕКТОВ
Студенты заочной формы обучения выполняют курсовой проект по специальности.
Состав РПЗ определяется стандартом предприятия.
Ниже приведены рекомендации по структуре и объему РПЗ и графической части типовых проектов, т.е. разработанных по материалам, собранным при прохождении практики студентами на предприятиях, связанных с выпуском продукции не машиностроительного профиля.
Титульный лист (прил. 1.А).
Задание на проектирование (на бланке).
Аннотация.
Ведомость проекта (прил. 1.Б).
Содержание.
Введение.
Литературно-патентный обзор по способам производства продукта и основному технологическому оборудованию (результаты патентного поиска составить в виде кратких описаний технических решений, а затем следует привести критический анализ и выводы по патентному поиску).
Курсовая работа по автоматизированному проектированию 1. Разработка технического задания на проектирование.
1.1. Обоснование выбранного метода производства.
1.2. Свойства исходного сырья и готовой продукции.
1.3. Составление и краткое описание по стадиям эскизной технологической схемы производства.
1.4. Расчет материальных и тепловых балансов по стадиям производства.
2. Расчет и выбор технологического оборудования.
2.1. Выбор типа основного оборудования.
2.2. Приближенный расчет основного оборудования (кроме аппарата данного на спецразработку).
2.3. Подбор основного оборудования (при подборе аппарата, данного на спецразработку, дать 3. Разработка принципиальной технологической схемы производства.
3.1. Выбор вспомогательного оборудования.
3.2. Полное описание технологической схемы по стадиям производства.
4. Компоновка оборудования.
5. Расчет и конструктивная разработка основного аппарата.
5.1. Технологический расчет аппарата (машины).
5.2. Обоснование выбора конструкционного материала для аппарата.
5.3. Механический расчет основного аппарата.
5.4. Подбор основного аппарата по каталогам или его разработка.
5.5. Описание модернизации основного технологического оборудования.
6. Прогрессивные методы ремонта и монтажа оборудования.
Выводы.
Список используемых источников.
Приложение.
Объединенная расчетно-пояснительная записка должна иметь объем около 60 страниц, причем объем расчетной части должен быть не менее 50 % от общего.
Объем графической части: схема технологическая 1 лист; компоновочный чертеж 1 лист (эти чертежи выполняются на формате А1 или на формате А2); чертеж основного аппарата и его узлов листа формата А1. Не менее двух листов графической части должно быть выполнено на ЭВМ.
Структура курсового проекта с исследовательской частью отличается от типового заменой раздела четыре (компоновка) на исследовательскую часть.
Исследовательская часть:
1. Постановка задачи исследования.
2. Выбор методики проведения исследования.
3. Описание экспериментальной установки.
4. Результаты исследования и их анализ.
Графическая часть курсового проекта с исследовательской частью отличается от типового заменой компоновочного чертежа на лист результатов исследований.
Дипломные проекты, выполненные по материалам машиностроительных заводов могут не включать разделы по разработке принципиальной технологической схемы и компоновке оборудования. В этом случае схема автоматизации аппарата может быть представлена в пояснительной записке проекта.
Структура и объем дипломного проекта для студентов всех форм обучения одинаковы. Объем расчетно-пояснительной записки (РПЗ или далее ПЗ) дипломного проекта, как правило, около 100 страниц формата А4, графической части 10 листов формата А1. Оформление ПЗ и графического материала должно соответствовать стандартам и настоящему пособию. Состав ПЗ дипломного проекта следующий:
Титульный лист (на бланке).
Задание на дипломный проект (на бланке).
Аннотация.
Ведомость проекта (прил. 1.Б).
Содержание (прил. 1.В).
Введение.
1. Разработка технического задания на проектирование.
1.1. Литературно-патентный обзор способов производства и оборудования.
1.2. Анализ исходных данных. Выбор способа производства. Составление и описание по стадиям эскизной технологической схемы производства. Выбор типа технологического оборудования.
1.3. Характеристика исходного сырья и готовой продукции.
1.4. Расчет материальных и тепловых балансов по стадиям производства.
2. Расчет и подбор технологического оборудования по стадиям производства.
2.1. Технологический расчет основного оборудования.
2.2. Выбор конструкционного материала и механический расчет оборудования.
2.3. Подбор технологического оборудования по каталогам или его разработка.
3. Разработка принципиальной технологической схемы.
3.1. Оформление основных, вспомогательных стадий производства, отгрузки готовой продукции, обезвреживания и утилизации отходов и т.д.
3.2. Автоматизация и механизация отдельного технологического узла.
3.3. Полное описание технологической схемы по стадиям производства.
4. Компоновка оборудования.
5. Разработка способов монтажа и ремонта оборудования.
6. Решение задач промышленной экологии.
7. Мероприятия по безопасности жизнедеятельности и производственной санитарии.
8. Экономическое обоснование проекта.
Выводы.
Список используемых источников.
Приложение.
Проект с исследовательской частью включает специальный раздел, в котором описывается методика проведения экспериментальных исследований (на пилотной или промышленной установках, вычислительный эксперимент на ЭВМ с использованием математической модели и т.п.), планирование, проведение и обработка результатов эксперимента, анализ полученных результатов. В зависимости от объема исследовательской части проекта может быть изменен состав пояснительной записки и сокращен объем обязательной графической части проекта.
Исследовательская работа – комплексная, самостоятельная работа студента, главной целью и содержанием которой является всесторонний анализ и научные исследования по одному из вопросов теоретического или практического характера по профилю специальностей кафедры. Базой практики при этом для студентов исследователей может быть выпускающая кафедра, НИИ, КБ и т.п.
6.3. ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ
Пояснительная записка (ПЗ) проекта (работы) должна быть сброшюрована в папке формата А4, на которую наклеивается этикетка размером 65100 мм с указанием аббревиатуры университета (ТГТУ), вида документа и его обозначение, темы проекта, кода учебной группы и специальности, автора проекта и года выполнения. Текст ПЗ должен быть написан аккуратно от руки чернилами или пастой одного цвета (черного, синего, фиолетового), желательно, на двух сторонах листа белой бумаги формата А или набран на компьютере и отпечатан на принтере ЭВМ через полтора или два межстрочных интервала.Иллюстрации (рисунки, схемы, графики и т.д.) должны быть выполнены в соответствии с действующим стандартом вуза и располагаться по тексту возможно ближе к соответствующим частям текста.
Каждый лист пояснительной записки, кроме титульного листа и задания, должен быть выполнен по ГОСТ 2.10668 (форма 5) для первого листа и по форме 5а для последующих листов. При этом основную надпись и дополнительные графы следует выполнять в соответствии с требованиями ГОСТ 2.10468 (формы 2 и 2а). Рамку на листах пояснительной записки наносят сплошной основной линией на расстоянии 20 мм от левой границы формата и 5 мм от остальных границ.
От рамки до границ текста в начале строк оставлять 5 мм, в конце строк не менее 3 мм, сверху и снизу не менее 10 мм.
Абзацы в тексте следует начинать отступом, равным 15...17 мм. Расстояние между строками текста должно быть 8 мм.
Расстояние от текста до следующего заголовка, а также от заголовка до следующего текста должно быть равно 16 мм. Если заголовок занимает более чем одну строку, то расстояние между строками равно 8 мм.
Вписывать в напечатанный текст отдельные слова, формулы, условные обозначения допускается только черными чернилами (пастой) или черной тушью.
Нумерация страниц пояснительной записки сквозная, начиная с титульного листа, включая приложения, должна быть в соответствующей графе основной надписи углового штампа. На титульном листе, задании, аннотации номера страниц не ставятся.
Текст пояснительной записки следует делить на разделы, которые могут быть разделены на подразделы и пункты. Пункты, при необходимости, делятся на подпункты. При таком делении текста необходимо, чтобы каждый пункт, подпункт содержал законченную информацию.
Разделы, подразделы, пункты, подпункты следует нумеровать арабскими цифрами и записывать с абзацного отступа. После номера раздела, подраздела, пункта, подпункта в тексте точку не ставят.
Разделы, подразделы должны иметь заголовки. Пункты, как правило, заголовков не имеют. Заголовки должны четко и кратко отражать содержание разделов, подразделов.
Заголовки разделов, подразделов следует записывать с абзацного отступа с прописной буквы без точки в конце, не подчеркивая. Переносы слов в заголовках не допускаются.
Слова: "СОДЕРЖАНИЕ", "СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ", "ВВЕДЕНИЕ", "ВЫВОДЫ" следует записывать в виде заголовка (симметрично тексту) прописными буквами и номер для этих разделов не ставить.
Каждый раздел ПЗ рекомендуется начинать с нового листа (страницы).
Для лучшей наглядности представления цифрового материала и удобства сравнения показателей применяют таблицы. Название таблицы должно отражать ее содержание, быть точным, кратким. Его следует помещать над таблицей.
При переносе части таблицы на ту же или другую страницу, название помещают только над первой частью таблицы. Над другими частями таблицы пишут слова "Продолжение таблицы" с указанием ее номера. Номер таблицы и ее название пишется, например, следующим образом: "Таблица 1 Основные характеристики сырья".
Таблицы, за исключением таблиц приложений, следует нумеровать арабскими цифрами сквозной нумерацией. Допускается нумеровать таблицы в пределах раздела. В этом случае номер таблицы состоит из номера раздела и порядкового номера таблицы, разделенных точкой.
Таблицы приложения обозначаются отдельной нумерацией арабскими цифрами с добавлением перед цифрой обозначения приложения.
Если в пояснительной записке имеется одна таблица, то она должна быть обозначена "Таблица 1" или "Таблица А.1", если она приведена в приложении А.
На все таблицы ПЗ должны иметься ссылки в тексте, при этом следует писать "Таблица" с указанием номера.
Если в конце страницы таблица прерывается и ее продолжение переносится на следующую страницу, то в первой части таблицы нижнюю горизонтальную линию, ограничивающую таблицу, проводить не следует. В таблицу не допускается включать графу "Номер по порядку".
Иллюстрации (рисунки, схемы, графики, диаграммы и т.д.) в ПЗ должны выполняться в соответствии с требованиями ЕСКД. На иллюстрации должны быть ссылки в тексте.
Иллюстрации следует располагать непосредственно после текста, в котором о них упоминается впервые, или на следующей странице, а при необходимости – в приложении.
Иллюстрации, за исключением иллюстраций приложений, следует нумеровать арабскими цифрами сквозной нумерацией. Если рисунок один, то он обозначается "Рисунок 1".
В приложении иллюстрации должны иметь отдельную нумерацию арабскими цифрами с добавлением перед цифрой обозначения приложения. Например Рисунок А.1.
Допускается нумеровать иллюстрации в пределах раздела. Номер рисунка в этом случае состоит из номера раздела и порядкового номера рисунка разделенных точкой (Рисунок 1.1).
При ссылках на иллюстрации следует писать, например, "в соответствии с рисунком 1" (или "... в соответствии с рисунком 1.1").
Иллюстрации могут иметь наименование и пояснительные данные (подрисуночный текст). Пояснительные данные необходимо располагать под рисунком, а слово "Рисунок" и наименование необходимо помещать под рисунком и после пояснительных данных.
Формулы, приводимые в расчетной части пояснительной записки, должны иметь сквозную (или в пределах раздела) нумерацию арабскими цифрами, которые записываются на уровне формулы справа в круглых скобках. Рекомендуется нумеровать только те формулы, если на них имеются ссылки по тексту ПЗ. При этом ссылки в тексте на порядковые номера формул необходимо указывать в скобках, например, ("... в формуле (1)" или "... в формуле (3.1)").
Все входящие в формулу символы и числовые коэффициенты должны поясняться в тексте непосредственно под формулой. Пояснения каждого символа с указанием размерности в системе СИ следует давать с новой строки в той же последовательности, в которой символы приведены в формуле. Первая строка пояснения должна начинаться со слова "где" без двоеточия после него.
Пример Запишем уравнение теплопередачи где Q – тепловой поток (тепловая нагрузка на теплообменник), Вт; K т коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); F – поверхность теплообмена, м2; t – разность температур между средами-теплоносителями (температурный напор, движущая сила), К.
Коэффициент теплопередачи в случае многослойной стенки рассчитывается по формуле где 1, 2 коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м2К); i теплопровод-ность i-го слоя (стенки, отложений на стенке и т.п.), Вт/(мК); i толщина i-го слоя, м.
Переносить формулы на следующую строку допускается только на знаках выполняемых операций.
При этом знак операции в начале следующей строки повторяется. Если формула переносится на знаке операции умножения, то следует применять знак "".
В ПЗ не допускается применение машинописных и рукописных символов в одной формуле.
В тексте ПЗ могут быть приведены ссылки на данную пояснительную записку, на стандарты, на другие используемые источники.
При ссылке на данную пояснительную записку необходимо указывать номер раздела, подраздела, соответствии с разделом 3" или "согласно 1.4".
При ссылке на другие источники информации можно ссылаться только на документ в целом или его разделы и приложения. Эти ссылки следует указывать порядковым номером по списку используемых источников, выделенным двумя квадратными скобками.
Сведения об источниках информации следует располагать в порядке появления ссылок на них в тексте ПЗ и нумеровать арабскими цифрами с точкой. Список используемых источников необходимо оформлять в соответствии с требованиями ГОСТ 7.184.
Пример Список используемых источников 1) Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В 2 кн., М.: Химия, 1981. 812 с.
2) Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для вузов. В 2 кн. Кн. 1 / В.Г.
Айнштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носов и др. / Под ред. проф. В.Г. Айнштейна. М.: Химия, 1999. 888 с.
3) Дворецкий С.И., Кормильцин Г.С., Королькова Е.М. Основы проектирования химических производств: Учеб. пособие / Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 1999. 184 с.
Графический материал, таблицы большого формата, расчеты, описание аппаратов, описание алгоритмов и программ задач, решаемых на ЭВМ, т.е. материал, дополняющий текст ПЗ, допускается помещать в приложениях.
На все приложения в тексте ПЗ должны быть ссылки. Приложения необходимо располагать в порядке ссылок на них в тексте ПЗ. Каждое приложение следует начинать с новой страницы. При этом наверху посередине страницы необходимо писать слово "Приложение" и его обозначение, а под ним в скобках для обязательного приложения "обязательное", а для информационного "рекомендуемое" или "справочное".
Каждое приложение должно иметь заголовок, записываемый симметрично относительно текста с прописной буквы отдельной строкой.
Приложения следует обозначать заглавными буквами русского алфавита, начиная с А, за исключением букв Е, З, Й, О, Ч, Ь, Ы, Ъ. После слова "Приложение" указывается буква, обозначающая его последовательность.
Приложения необходимо выполнять на листах формата А4. Допускается оформлять их на листах других форматов по ГОСТ 2.30168.
Приложения должны иметь общую с остальной частью ПЗ сквозную нумерацию страниц.
Все приложения следует перечислять в содержании ПЗ с указанием их номеров и заголовков.
Аннотация в пояснительной записке располагается перед содержанием. Аннотация содержит общие сведения и краткую характеристику проекта (работы): название темы, фамилию студента и руководителя, год защиты, название объекта конструктивной разработки, перечень основных проектных решений с краткими комментариями, характеризующими их новизну и эффективность. В аннотации также указываются объемы пояснительной записки (в страницах) и графической части проекта (в листах). Рекомендуемый объем аннотации одна страница рукописного текста.
Ведомость проекта (форма, порядок заполнения) выполняется в соответствии с ГОСТ 2. (пример приведен в приложении Б).
Введение должно содержать обоснование актуальности разрабатываемой темы, оценку современного состояния решаемой задачи, краткую характеристику недостатков действующего производства базы преддипломной практики и пути их преодоления, краткое изложение ожидаемых результатов проектирования.
НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Непосредственная разработка технического задания на проектирование производится студентом и руководителем. Задание на проектирование должно содержать наименование производства и его основные технико-экономические показатели (в том числе производительность и ассортимент выпускаемой продукции), исходные данные для проектирования, а также требования:• к качеству конкурентной способности и экологическим параметрам продукции;
• способу (технологии) производства;
• архитектурно-строительным, объемно-планировочным и конструктивным решениям;
• к разработке природоохранных мер и мероприятий;
• режиму безопасности и гигиены труда;
• по перспективному расширению производства;
• по выполнению опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ.
При разработке технического задания студент должен ориентироваться на последние достижения науки и техники, научно-обоснованные нормы затрат сырья, материалов и энергетических ресурсов, высокую эффективность капиталовложений, высокий уровень экологической безопасности проектируемого производства и безопасности труда обслуживаемого персонала.
Литературно-патентный обзор составляется на базе общих сведений о проектируемом объекте. При этом студент анализирует собранные во время конструкторско-технологической и преддипломной практик материалы, изучает специализированную научно-техническую литературу (реферативные и научно-технические журналы, патенты, научно-технические отчеты НИИ, монографии и др.), при необходимости пользуется архивными документами кафедры.
На основании обследования производств-аналогов и литературно-патентного обзора составляются и анализируются исходные данные для проектирования (реконструкции) производства.
6.3.2.2. Анализ исходных данных: обоснование выбора технологий и типов основного технологического оборудования Информационная база исходных данных для анализа включает следующее:
• выбранные технологии (способы) производства;
• оборудование для реализации процессов;
• описание химизма, физико-химических основ технологических процессов, в том числе по переработке отходов производства;
• нормативно-техническую документацию на сырье, вспомогательные материалы и готовую продукцию;
• физико-химические свойства исходных, промежуточных, побочных, конечных продуктов и отходов производства;
• технико-экономическое обоснование выбранной технологии (способа) производства;
• эскизную технологическую схему производства;
• рекомендации по автоматизации и механизации производства;
• рекомендации по аналитическому контролю и выбору пробоотборных устройств;
• таблицу неутилизированных отходов производства и рекомендации по методу их утилизации и обезвреживания;
• рекомендации по безопасности жизнедеятельности обслуживающего персонала.
Критерии оценки метода или технологии производства, по которым производят анализ, включают технико-экономические показатели; возможность обеспечения сырьем и его стоимость; организацию доставки сырья и вывоза готовой продукции; наличие оборудования для промышленной реализации метода;
обеспечение заданной мощности и качества продукции; вопрос экологии; соблюдение санитарногигиенических условий труда на производстве.
На основании информации, полученной в процессе литературно-патентного поиска, об используемых видах сырья и его ресурсах, списках известных химических реакций и процессов химической и биотехнологий, степенях превращения сырья студент получает оценки возможных количеств целевых продуктов по стадиям производства и составляет эскизную технологическую схему. Разработка окончательного варианта эскизной схемы заключается в определении такой совокупности процессов (технологических стадий), направленных на выпуск продуктов заданного ассортимента и обеспечивающих высокое и стабильное качество выпускаемых продуктов при минимальной себестоимости. Эти процессы можно разделить на основные: химические, физико-химические, механические операции по переработке сырья в готовый продукт, и вспомогательные: транспортировка и складирование сырья и готового продукта, подготовка сырья, удаление отходов производства и т.д. При составлении структурной схемы процессы (стадии) изображаются прямоугольниками с номерами стадий и их наименованиями, а также с указанием выходов по ним.
На эскизной схеме обязательно изображают материальные потоки и степень превращения сырья по стадиям производства.
Далее студент приступает к составлению и решению уравнений материального баланса по стадиям производства. Это позволяет ему выяснить избытки тех или иных химических компонентов, которые, в конечном счете, либо будут присутствовать в качестве примесей в целевых продуктах, либо после их отделения образуют отходы производства или продукты для переработки в других производствах.
При анализе исходных данных производится предварительный расчет экономической эффективности метода (технологии) производства, основанный на предполагаемой стоимости сырья и продуктов, без учета капитальных и эксплуатационных затрат. В результате такого анализа выясняется целесообразность дальнейшей проработки данного варианта эскизной технологической схемы и выбираются оптимальные способы организации технологических процессов по стадиям производства.
При выборе способа производства следует помнить, что непрерывные технологические процессы позволяют обеспечивать высокое и стабильное качество производимой продукции, обеспечить более высокий уровень энерго- и ресурсосбережения производства, обладают более высокой удельной производительностью и способствуют значительному улучшению условий труда обслуживающего персонала за счет комплексной автоматизации производства. Однако, замена периодических процессов непрерывными не всегда оказывается целесообразной с экономической точки зрения, а иногда практически настолько трудно реализуемой, что от нее приходится отказаться. В первую очередь это связано с трудностью создания и внедрения в производство принципиально нового технологического оборудования непрерывного действия и приборов автоматического контроля качества производимой продукции. Одновременно с конструированием новых аппаратов и приборов необходимо определять оптимальные условия их функционирования в технологической схеме производства.
При выборе типа технологического оборудования студент разрабатывает требования к аппарату, которые учитывают необходимость реализации определенных физико-химических явлений, заложенных в эскизной технологической схеме. Требования рекомендуется разделять на технологические, конструктивные, эксплуатационные, экономические и др. Далее требования условно делят на основные и дополнительные. Невыполнение основных требований приводит к прекращению функционирования аппарата, невыполнение дополнительных требований – к ухудшению технологических или техникоэкономических показателей эффективности аппарата. Все требования можно оценивать коэффициентом значимости Kз, представляющим собой параметр, изменяющийся в диапазоне 1…5 и оценивающий степень необходимости удовлетворения данным требованиям. Коэффициенты значимости требований определяются методом экспертных оценок.
«