Программное обеспечение позволяет усовершенствовать организацию работы вычислительной системы с целью максимального использования ее техники.
Необходимость в разработке ПО обусловливается следующим:
- обеспечить работоспособность технических средств, так как без программного обеспечения они не могут осуществить никаких вычислительных и логических операций;
- обеспечить взаимодействие пользователя с техникой;
- сократить цикл от постановки задачи до получения результата ее решения;
- повысить эффективность использования ресурсов технических средств.
В настоящее время распространены такие формы ИС в управлении предприятиями:
- индивидуальное использование компьютеров;
- автоматизированные рабочие места (АРМ);
- локальные вычислительные сети (ЛВС).
Эти формы децентрализации ресурсов существенно различаются по концентрации вычислительных средств.
Опыт автоматизации управления в производственно-экономических структурах показал, что степень влияния ИС с развитыми информационно-справочными функциями на эффективность управленческой деятельности очень существенна. К наиболее важным результатам ее работы можно отнести:
- расширение информационных возможностей и повышение оперативности принятия решений для ранее действовавших и вновь создаваемых структурных подразделений;
- усиление на этой основе координирующих функций звеньев центрального аппарата управления;
- значительное повышение информированности и рабочей квалификации работников всех уровней управления.
Применение АРМ не должно нарушать привычный пользователю ритм его работы, должно обеспечивать концентрацию внимания пользователя на логической структуре решаемых задач. Однако если заданное действие не производится или результат искажается, пользователь должен знать причину и информация об этом должна выдаваться на экран.
В составе программного обеспечения АРМ можно выделить два основных вида обеспечения, различающихся по функциям: общее (системное) и специальное (прикладное). К общему программному обеспечению относится комплекс программ, обеспечивающий автоматизацию разработки программ и организацию экономичного вычислительного процесса на ПК безотносительно к решаемым задачам. Специальное (прикладное) программное обеспечение представляет собой совокупность программ решения конкретных задач пользователя.
Режим работы различных технологий, технические особенности вы-числительных устройств, разнообразие и массовый характер их применения предъявляют особые требования к программному обеспечению. Такими требованиями являются: надежность, эффективность использования ресурсов ПК, структурность, модульность, эффективность по затратам, дружественность по отношению к пользователю. При разработке и выборе программного обеспечения необходимо ориентироваться в архитектуре и характеристиках ПК, имея в виду минимизацию времени обработки данных, системное обслуживание программ большого количества пользователей, повышение эффективности использования любых конфигураций технологических схем обработки данных.
Классификация программного обеспечения АРМ приведена на рис. 4.1.
Главное назначение общего ПО - запуск прикладных программ и управление процессом их выполнения.
Специальное программное обеспечение АРМ обычно состоит из уникальных программ и функциональных пакетов прикладных программ. Именно от функционального ПО зависит конкретная специализация АРМ. Учитывая, что специальное ПО определяет область применения АРМ, состав решаемых пользователем задач, оно должно создаваться на основе инструментальных программных средств диалоговых систем, ориентированных на решение задач со схожими особенностями обработки информации.
Рис. 4.1. Классификация программного обеспечения АРМ
Программное обеспечение АРМ должно обладать свойствами адаптивности и настраиваемости на конкретное применение в соответствии с требованиями пользователя.
В качестве операционных систем АРМ, созданных на базе 16разрядных компьютеров, обычно используется MS DOC, на базе 32- разрядных-OS/2 и UNIX.
Основными приложениями пакетов прикладных программ, входящих в состав специального ПО АРМ, являются обработка текстов, табличная обработка данных, управление базами данных, машинная и деловая графика, организация человеко-машинного диалога, поддержка коммуникаций и работа в сетях.
Эффективными в АРМ являются многофункциональные интегрированные пакеты, реализующие несколько функций переработки информации, например табличную, графическую, управление базами данных, текстовую обработку в рамках одной программной среды.
Интегрированные пакеты удобны для пользователей. Они имеют единый интерфейс, не требуют стыковки входящих в них программных средств, обладают достаточно высокой скоростью решения задач.
Эффективное функционирование ИС управления и АРМ специалиста базируется на комплексном использовании современных программных средств обработки информации в совокупности с современными организационными формами размещения техники.
Выбор организационных форм использования программных средств целесообразно осуществлять с учетом их рассредоточения по уровням иерархии управления в соответствии с организационной структурой автоматизируемого объекта. При этом основным принципом выбора является коллективное обслуживание пользователей, отвечающее структуре экономического объекта.
С учетом современной функциональной структуры территориальных органов управления совокупность программно-технических средств должна образовывать по меньшей мере трехуровневую глобальную систему обработки данных с развитым набором периферийных средств каждого уровня (рис. 4.2).
Первый уровень - центральная вычислительная система территориального или корпоративного органа, включающая одну или несколько мощных ЭВМ, или мэйнфреймов. Ее главная функция - общий, экономический и финансовый контроль, информационное обслуживание работников управления.
Второй уровень - вычислительные системы предприятий (объединений), организаций и фирм, которые включают мэйнфреймы, мощные ПК, обеспечивают обработку данных и управление в рамках структурной единицы.
Рис. 4 2 Принципиальная схема многоуровневой организации программно-технических средств ИС
Третий уровень - локально распределенные вычислительные сети на базе ПК, обслуживающие производственные участки нижнего уровня. Каждый участок оснащен собственным ПК, который обеспечивает комплекс работ по первичному учету, учету потребности и распределения ресурсов. В принципе это может быть автоматизированное рабочее место (АРМ), выполняющее функциональные вычислительные процедуры в рамках определенной предметной области.
Пакеты прикладных программ являются наиболее динамично раз-вивающейся частью программного обеспечения: круг решаемых с их помощью задач постоянно расширяется. Внедрение компьютеров во все сферы деятельности стало возможным благодаря появлению новых и совершенствованию существующих ППП.
Структура и принципы построения ППП зависят от класса ЭВМ и операционной системы, с которой этот пакет будет функционировать. Наибольшее количество ППП создано для 1ВМ РС-совместимых компьютеров с операционной системой М8 008 и операционной оболочкой \VINDOWS. Классификация этих пакетов программ по функционально-организационному признаку представлена на рис. 4.3.
Проблемно-ориентированные ППП - наиболее функционально развитые и многочисленные ППП. Они включают следующие программные продукты: текстовые процессоры, издательские системы, графические редакторы, демонстрационную графику, системы мультимедиа, ПО САПР, организаторы работ, электронные таблицы (табличные процессоры), системы управления базами данных, программы распознавания символов, финансовые и аналитикостатистические программы.
Электронные таблицы (табличные процессоры) - пакеты программ для обработки табличным образом организованных данных. Пользователь имеет возможность с помощью средств пакета осуществлять разнообразные вычисления, строить графики, управлять форматом ввода-вывода данных, компоновать данные, проводить аналитические исследования и т.п.
В настоящее время наиболее популярными и эффективными пакетами данного класса являются Excel, Improv, Quattro Pro, 1-2-3.
Организаторы работ - это пакеты программ, предназначенные для автоматизации процедур планирования использования различных ресурсов (времени, денег, материалов) как отдельного человека, так и всей фирмы или ее структурных подразделений.
К пакетам данного типа относятся: Time Line, MS Project, SuperProject, Lotus Organizer, ACT1.
Рис 4 3. Классификация ППП
Текстовые процессоры - программы для работы с документами (текстами), позволяющие компоновать, форматировать, редактировать тексты при создании пользователем документа. Признанными лидерами в части текстовых процессоров для ПК являются MS Word, WordPerfect, Ami Pro.
Настольные издательские системы (HMQ - программы для про-фессиональной издательской деятельности, позволяющие осуществлять электронную верстку основных типов документов, например информационного бюллетеня, краткой цветной брошюры и объемного каталога или торговой заявки, справочника.
Наилучшими пакетами в этой области являются Corel Ventura, PageMaker, QuarkXPress, FrameMaker, Microsoft Publisher, PagePlus. Кроме первого, остальные пакеты созданы в соответствии со стандартами Windows.
Графические редакторы - пакеты для обработки графической информации; делятся на ППП обработки растровой графики и изображений и векторной графики.
ППП первого типа предназначены для работы с фотографиями. В пакетах предусмотрены возможности преобразования фотографий в изображение с другой степенью разрешения или другие форматы данных (типа BMP, GIF и т.п.). Признанный лидер среди пакетов данного класса - Adobe Photoshop. Известные пакеты - Aldus Photostyler, Picture Publisher, PhotoWorks Plus. Все программы ориентированы на работу в среде Windows.
Пакеты с векторной графикой предназначены для профессиональной работы, связанной с художественной и технической иллюстрацией с последующей цветной печатью. Они обладают широким набором функциональных средств для сложной и точной обработки графических изображений.
Пакеты демонстрационной графики являются конструкторами графических образов деловой информации, т. е. своеобразного видеошоу, призванного в наглядной и динамичной форме представить результаты некоторого аналитического исследования. Пакеты позволяют создавать почти все виды диаграмм и извлекать данные для графиков из табличных процессоров. Программы данного типа просты в работе и снабжены интерфейсом, почти не требующим изучения. К наиболее популярным пакетам данного типа относятся PowerPoint, Harvard Graphics, WordPerfect Presentations, Freelance Graphics. Пакеты программ мультимедиа предназначены для отображения и обработки аудио- и видеоинформации. Помимо программных средств компьютер должен быть оборудован дополнительными платами, позволяющими осуществлять ввод-вывод аналоговой информации, ее преобразование в цифровую форму.
Среди мультимедийных программ можно выделить две большие группы. Первая включает пакеты для обучения и досуга. Поставляемые на CD-ROM емкостью от 200 до 500 Мбайт каждый, они содержат аудиовизуальную информацию по определенной тематике.
Разнообразие их огромно, и рынок этих программ постоянно расширяется при одновременном улучшении качества видеоматериалов.
Вторая группа включает программы для подготовки видеоматериалов для создания мультимедиа представлений, демонстрационных дисков и стендовых материалов.
К пакетам данного вида относятся Director for Windows, Multimedia ViewKit, NEC MultiSpin.
Другая разновидность пакетов программ, связанная с обработкой графических изображений, это - системы автоматизации проектирования. Они предназначены для автоматизации проектно-конструкторских работ в машиностроении, автомобилестроении, промышленном строительстве и т.п.
Своеобразным стандартом среди программ данного класса является пакет AutoCAD фирмы Autodesk. Отметим также программы DesignCAD, Drafic CAD Professional, Drawbase, Microstation, Ultimate CAD Base и Turbo CAD. Эти пакеты отличаются богатством функциональных возможностей и предназначены для функционирования в среде Windows (Windows NT) или OS/2.
Программы распознавания символов предназначены для перевода графического изображения букв и цифр в ASCII-коды этих символов и используются, как правило, совместно со сканерами.
Пакеты данного типа обычно включают разнообразные средства, облегчающие работу пользователя и повышающие вероятность правильного распознавания.
Скорость сканирования современных ППП составляет примерно 1,5 минуты на страницу. К пакетам данного типа относятся Fine Reader, CunieForm, Tigert™, OmniPage.
Разнообразными пакетами представлена группа финансовых программ: для ведения личных финансов, автоматизации бухгалтерского учета малых и крупных фирм, экономического прогнозирования развития фирмы, анализа инвестиционных проектов, разработки технико-экономического обоснования финансовых сделок и т.п. Например, программы типа MS Money, МЕСА Software, MoneyCounts ориентированы на сферу планирования личных денежных ресурсов. В них предусмотрены средства для ведения деловых записей типа записной книжки и расчета финансовых операций.
Для расчета величины налогов можно использовать программы Turbo Tax for Windows, Personal Tax Edge.
С помощью программ Quicken, DacEasy Accounting, Peachtree for Windows можно автоматизировать бухгалтерский учет. Эту же функцию выполняет ряд отечественных программ: «Турбо-бухгалтер», «1C: Бухгалтерия», «Бухгалтер» фирмы «Атлант-Информ» и др.
Для аналитических исследований используются хорошо зареко-мендовавшие себя зарубежные статистические пакеты, такие, как
StatGraphics, Project-Expert или отечественная разработка Статистик- Консультант.
Интегрированные пакеты программ - по количеству наименований продуктов немногочисленная, но в вычислительном плане мощная и активно развивающаяся часть ПО.
Традиционные, или полносвязанные, интегрированные программные комплексы представляют собой многофункциональный автономный пакет, в котором в одно целое соединены функции и возможности различных специализированных (проблемно-ориентированных) пакетов, родственных в смысле технологии обработки данных на отдельном рабочем месте. Представителями таких программ являются пакеты Framework, Symphony, а также пакеты нового поколения Microsoft Works, Lotus Works.
В рамках интегрированного пакета обеспечивается связь между данными, однако при этом сужаются возможности каждого компонента по сравнению с аналогичным специализированным пакетом.
В настоящее время активно реализуется другой подход к интеграции программных средств: объединение специализированных пакетов в рамках единой ресурсной базы, обеспечение взаимодействия приложений (программ пакета) на уровне объектов и единого упрощенного центра-переключателя между приложениями. Интеграция в этом случае носит объектно-связанный характер.
Типичные и наиболее мощные пакеты данного типа: Borland Office for Windows, Lotus, SmartSute for Windows, Microsoft Office. В профессиональной редакции этих пакетов присутствуют четыре приложения: текстовый редактор, СУБД, табличный процессор, программы демонстрационной графики.
Особенностью нового типа интеграции пакетов является использование общих ресурсов. Здесь можно выделить четыре основных вида совместного доступа к ресурсам.
1. Пользование утилит, общих для всех программ комплекса. Так, например, утилита проверки орфографии доступна из всех программ пакета.
2. Применение объектов, которые могут находиться в совместном использовании нескольких программ.
3. Реализация простого метода перехода (или запуска) из одного приложения к другому.
4. Реализация построенных на единых принципах средств автоматизации работы с приложением (макроязыка), что позволяет организовать комплексную обработку информации при минимальных затратах на программирование и обучение программированию на языке макроопределений.
Механизм динамической компоновки объектов дает возможность пользователю помещать информацию, созданную одной прикладной программой, в документ, формируемый другой. Пользователь может редактировать информацию в новом документе средствами того продукта, с помощью которого этот объект был создан (при редактировании автоматически запускается соответствующее приложение). Запущенное приложение и программа обработки документа-контейнера выводят на экран гибридное меню для удобства работы специалиста. Кроме того, данный механизм позволяет переносить OLE-объекты из окна одной прикладной программы в окно другой.
В этой технологии предусмотрена также возможность общего ис-пользования функциональных ресурсов программ: например, модуль построения графиков табличного процессора может быть использован в текстовом редакторе. Недостатком данной технологии является ограничение формата графика размером одной страницы.
OpenDoc представляет собой объектно-ориентированную систему, базирующуюся на открытых стандартах фирм - участников разработки. В качестве модели объекта используется распределенная модель системных объектов (DSOM - Distributed System Object Model), разработанная фирмой IBM для OS/2. Предполагается совместимость между OLE и OpenDoc.
I Из главы рекомендуется запомнить
В Обеспечение эффективности информационных технологий и систем в решающей степени определяется программнотехническим оснащением, которое должно отвечать ряду требований. Программно-технические средства организуются на системной основе, что делает их использование более экономичным и надежным.
В Широкие возможности компьютеров разных классов и моделей позволяют реализовать любые конфигурации сложных сетевых информационных систем. Аппаратные характеристики ЭВМ влияют на выбор системного и прикладного программного обеспечения. Высокий уровень техники дает возможность использовать и более качественную программную продукцию с большим количеством функций. Развитие программного обеспечения автоматизированного рабочего места (АРМ) экономиста постоянно совершенствует функции пользователя, повышает производительность его труда, одновременно расширяя масштабы деятельности. Совокупный эффект от качества программно-технического оснащения множества АРМ сказывается на процессах управления организацией в целом, на ее доходности и стабильности функционирования.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Перечислите требования, предъявляемые к комплексу технических средств.
2. В чем состоят различия компьютеров разных видов и классов? Каковы особенности их применения?
3. Каково назначение серверов?
4. Использование каких средств кроме компьютеров позволяет реализовать коммуникационные информационные услуги?
5. Рассмотрите различия в назначении системных и прикладных программ.
6. Перечислите наиболее важные системные программы.
7. Назовите по степени распространения прикладные программы экономического профиля.
8. Каковы особенности программного обеспечения управленческой деятельности предприятий, малого бизнеса, формирования бизнес-планов9
9. Определите требования, предъявляемые к программному обеспечению АРМ.
10. Как классифицируется программное обеспечение АРМ?
11. Какие прикладные программы используются в банковской деятельности, в сфере менеджмента и маркетинга, финансового менеджмента, в торговой деятельности?
12. В чем состоит назначение прикладных программ класса СУБД?
4 Техническое и программное обеспечение
^ ИТ и ИС управления организацией
Использование технических средств, базирующихся на системном и комплексном объединении всей техники с учетом ряда предъявляемых требований.
Главные составляющие технического обеспечения - компьютеры разных классов, масштабов действия, универсальные и специализированные, а также средства их взаимодействия и коммуникации, т. е. сетевое оборудование.
Системные и прикладные программы в составе программного обеспечения, их влияние на производительность работы пользователя - экономиста.
Разнообразные предложения рынка программных продуктов, оценка пользователями их пригодности и качества в соотношении с денежными затратами, а также их применимости в условиях конкретных предприятий.
^
4.1. Состав технического обеспечения ИТ и ИС управления организацией
Техническая основа ИТ и ИС управления представлена совокупностью взаимосвязанных единым управлением автономных технических средств сбора, накопления, обработки, передачи, вывода и представления информации, средств обработки документов и оргтехники, а также средств связи для осуществления информационного обмена между различными техническими средствами.
Достижение эффективной работы ИС предполагает выполнение не которого набора требований, предъявляемых к комплексу технических средств (КТС), основными из которых являются следующие:
· минимизация трудовых и стоимостных затрат на решение всего комплекса задач системы;
· реализация интегрированной обработки информации за счет информационной, технической и программной совместимости различных технических устройств;
· обеспечение пользователей связью через терминальные устройства с распределенной базой данных; высокая надежность;
· наличие защиты информации от несанкционированного доступа;
· реализуемость КТС, Т.е. возможность его создания за счет типовых средств, выпускаемых отечественной промышленностью;
гибкость структуры КТС, Т.е. перспектива включения в его состав новых, более совершенных технических средств по мере освоения их промышленностью;
· минимизация капитальных затрат на приобретение КТС и их текущую эксплуатацию.
Эффективное функционирование ИС базируется на комплексном использовании современных технических средств обработки информации и методов организации технологических процессов решения задач. Основой дальнейшего развития автоматизации управленческой деятельности в различных отраслях экономики является новая, прогрессивная информационная технология, ориентированная на использование последних достижений электронной техники, в частности, высокопроизводительных, быстродействующих компьютеров и современных средств связи.
Создание новой технологии требует учета особенностей структуры экономических систем. Прежде всего, это сложность организационного взаимодействия, вызывающая необходимость создания многоуровневых иерархических систем (головная фирма, филиалы) со СЛОЖНЫМИ информационными связями прямого и обратного направления с организациями-смежниками.
Главным элементом комплекса технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения управленческих задач, является электронная вычислительная машина, или компьютер.
В сфере экономики это - компьютеры различной мощности, быстродействия, размеров. Они предназначены для решения самых различных задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных, и широко используются в мощных вычислительных комплексах.
Характерными чертами современных компьютеров являются: высокая производительность; разнообразие форм обрабатываемых данных - двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности представления; обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных; большая емкость оперативной памяти; развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.
Проблемно-ориентированные вычислительные средства служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных, выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными по сравнению с универсальными компьютерами аппаратными и программными ресурсами. К проблемно-ориентированным можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.
^ Специализированные вычислительные средства используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация позволяет четко специализировать структуру, существенно снизить сложность и стоимость компьютеров при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения ; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.
По размерам и функциональным возможностям применяемые в управленческой деятельности компьютеры подразделяются на сверхбольшие (мэйнфреймы), большие, малые, сверхмалые (микрокомпьютеры).
Функциональные возможности современных компьютеров отличают:
· быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;
· разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует вычислительная система;
· номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;
· номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;
· типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов компьютера между собой (внутримашинного интерфейса);
· способность компьютера одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять при этом несколько программ (многопрограммность);
· типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;
· наличие и функциональные возможности программного обеспечения;
· способность выполнять программы, написанные для других типов машин (программная совместимость с другими компьютерами);
· система и структура машинных команд:
· возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;
· эксплуатационная надежность компьютеров;
· коэффициент полезного использования компьютеров во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.
^ 5 Информационные технологии управления
По данным экспертов, на мэйнфреймах сейчас находится около 70% компьютерной информации; только в США в 1998 г. были установлены 400 тыс. мэйнфреймов. В России в настоящее время используется около 5 тыс. ЕС ЭВМ и примерно столько же фирменных мэйнфреймов: IВМ (ES/9000 установлены на автозаводах, металлургических комбинатах), Нitachi Data System, Fujitsu и др.
Малые компьютеры - надежные, недорогие и удобные в эксплуатации, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями.
Мини-компьютеры (и наиболее мощные из них супермини) обладают следующими характеристиками:
· производительность - до 100 MIPS;
· емкость основной памяти - 4-512 Мбайт:
· емкость дисковой памяти - 2-100 Гбайт;
· число поддерживаемых пользователей - 16-512.
Все применяемые модели этого типа разрабатываются на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем, 16-, 32-, 64разрядных микропроцессоров. Широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения, аппаратная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации, простая реализация микропроцессорных и многомашинных систем, высокая скорость обработки прерываний, возможность работы с форматами данных различной длины делают удобным их использование в ИТ управления.
К достоинствам компьютеров можно отнести: специфичную архитектуру с большой модульностью, лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность/цена, повышенная точность вычислений. Они ориентированы на использование в составе управляющих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой.
Компьютеры успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.
Персональный компьютер удовлетворяет требованиям общедоступности и универсальности применения и имеет следующие характеристики:
· малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
· автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
· гибкость архитектуры, обеспечивающую ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;
. «дружественность» операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающую возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;
Высокую надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).
В сфере управленческой деятельности широкое применение нашли персональные компьютеры, выпускаемые американскими фирмами Compaq Computer, Аррlе (Macintosh), Hewlett Packard, Оеll, ОЕС, а также фирмами Великобритании - Spectrum, Amstrad; Франции - Micral;
Италии - 0livetty; Японии - Toshiba, Panasonic и Partner.
Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьютеры клона (архитектуры определенного направления) (ВМ, первые модели которых появились в 1981 г. Существенно уступают им по популярности персональные компьютеры клона ОЕС (Digital Equipment Corporation), в частности широко известные ПК Macintosh фирмы Аррlе, занимающие по распространению 2-е место.
В начале 2000 г. мировой парк компьютеров составлял примерно 250 млн шт., из них около 90% - это персональные компьютеры, в частности, профессиональных ПК типа IВМ РС насчитывалось более 100 млн шт. (около 75% всех ПК); профессиональных ПК типа ОЕС - около 5 млн шт.
За рубежом самыми распространенными моделями компьютеров в настоящее время являются компьютеры с микропроцессорами Pentium и Pentium Рro (табл. 4.1).
Таблица 4.1. Усредненные характеристики современных ИК /ВМ Ре
| Параметр | Тип микропроцессора |
|||||
| 80386 SX | 80386 ОХ | 80486 SX | 80486 ОХ | Pentium | Pentium Рro |
|
| Тактовая частота, | 25-40 | 33-40 | 33-80 | 50-100 | 60-150 | 100-400 |
| Разрядность, бит | 32 | 32 | 32 | 32 | 64 | 64 |
| Объем ОЗУ, Мбайт | 1;2;4 | 2;4;8 | 2;4;8 | 4;6;8 | 8;16 | 16;32 |
| Объем КЭШ-памяти, Кбайт | Нет | 64,128 | 128;256 | 256;512 | 512;1024 | 512;1024 |
| Емкость НЖМД, Мбайт | 210 | 420 | 540 | 850 | 2000 | 10000 |
| Видеоадаптер VGA/SVGA,% | 30/70 | 24/76 | 10/90 | 0/100 | 0/100 | 0/100 |
| Наличие сопро- цессора | 45 | 67 | 80 | 100 | 100 | 100 |
^ Особую интенсивно развивающуюся группу компьютеров образуют многопользовательские, применяемые в вычислительных сетях серверы. Серверы обычно относят к микроЭВМ, но по своим характеристикам мощные серверы скорее можно отнести к малым ЭВМ и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы приближаются к суперЭВМ.·
Сервер - выделенный для обработки запросов от всех станций вычислительной сети компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.) и распределяющий эти ресурсы. Такой универсальный сервер часто называют сервером приложений.
^ Серверы в сети часто специализируются. Специализированные серверы используются для устранения наиболее узких мест в работе сети: создание и управление базами данных и архивами данных, поддержка многоадресной факсимильной связи и электронной почты, управление многопользовательскими терминалами (принтеры, плоттеры) и др.
Файл-сервер (File Server) используется для работы с файлами данных, имеет объемные дисковые запоминающие устройства, часто на отказоустойчивых дисковых массивах КАЮ емкостью до 1 Тбайта.
^ Архивационный сервер (сервер резервного копирования) служит для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях, использует накопители на магнитной ленте (стриммеры) со сменными картриджами емкостью до 5 Гбайт; обычно выполняет ежедневное автоматическое архивирование со сжатием информации от серверов и рабочих станций по сценарию, заданному администратором сети (естественно, с составлением каталога архива).
Факс-сервер (Net SatisFaxioп) - выделенная рабочая станция для организации эффективной многоадресной факсимильной связи с несколькими факсмодемными платами, со специальной защитой информации от несанкционированного доступа в процессе передачи, с системой хранения электронных факсов.
^ Почтовый сервер (Mail Server) - то же, что и факс-сервер, но для организации электронной почты, с электронными почтовыми ящиками.
Сервер печати (Priпt Server, Net Port) предназначен для эффективного использования системных принтеров.
^ Сервер телеконференций имеет систему автоматической обработки видеоизображений и др.
Быстроразвивающийся подкласс персональных компьютеров портативные компьютеры (notebook, laptop).
Большинство портативных компьютеров имеет автономное питание от аккумуляторов, но может подключаться и к сети.
В качестве видеомониторов у них применяются плоские с видеопроектором жидкокристаллические дисплеи, реже - люминесцентные для презентаций или газоразрядные.
Портативные компьютеры весьма разнообразны: от громоздких и тяжелых (до ]5 кг) портативных рабочих станций до миниатюрных электронных записных книжек массой около 100 г. Портативные рабочие станции -наиболее мощные и крупные переносные ПК.
Они оформляются часто в виде чемодана и носят жаргонное название Nomadic - кочевник. Их характеристики аналогичны характеристикам стационарных ПК - рабочих станций: мощные микропроцессоры, часто типа RISC, с тактовой частотой до 300 МГц; оперативная память емкостью до 64 Мбайт; гигабайтные дисковые накопители; быстродействующие интерфейсы и мощные видеоадаптеры с видеопамятью до 4 Мбайт.
По существу это обычные рабочие станции, питающиеся от сети, но конструктивно оформленные в корпусе, удобном для переноса, и имеющие, как и все переносные ПК, плоский жидкокристаллический видеомонитор класса не выше УОА. Nomadic обычно имеют модемы и могут оперативно подключаться к каналам связи для работы в вычислительной сети.
Главной тенденцией развития вычислительной техники в настоящее время является дальнейшее расширение сфер применения ЭВМ и как следствие переход от отдельных машин к их системам - вычислительным системам и комплексам разнообразных конфигураций с широким диапазоном функциональных возможностей и характеристик.
Наиболее перспективные, создаваемые на основе персональных ЭВМ, территориально распределенные многомашинные вычислительные системы - вычислительные сети - ориентируются не столько на вычислительную обработку информации, сколько на коммуникационные информационные услуги: электронную почту, системы телеконференций и информационно-справочные системы.
В сети Intemet реализован принцип гипертекста, согласно которому абонент, выбирая встречающиеся в читаемом тексте ключевые слова, может получить необходимые дополнительные пояснения и материалы.
При разработке и создании современных ПК существенный и устойчивый приоритет в последние годы имеют сверхмощные компьютеры - суперкомпьютеры, а также миниатюрные и сверхминиатюрные П К. Ведутся исследовательские работы по созданию компьютеров 6-го поколения, базирующихся на распределенной нейронной архитектуре нейрокомпьютеров.
Широкое внедрение средств мультимедиа, в первую очередь аудио- и видеосредств ввода и вывода информации, позволит общаться с компьютером на естественном языке.
Программное обеспечение (англ. software ) – это совокупность программ, обеспечивающих функционирование компьютеров и решение с их помощью задач предметных областей. Программное обеспечение (ПО) представляет собой неотъемлемую часть компьютерной системы, является логическим продолжением технических средств и определяет сферу применения компьютера.
ПО современных компьютеров включает множество разнообразных программ, которое можно условно разделить на три группы (рис. 3.1):
1. Системное программное обеспечение (системные программы);
2. Прикладное программное обеспечение (прикладные программы);
3. Инструментальное обеспечение (инструментальные системы).
Системное программное обеспечение (СПО) – это программы, управляющие работой компьютера и выполняющие различные вспомогательные функции, например, управление ресурсами компьютера, создание копий информации, проверка работоспособности устройств компьютера, выдача справочной информации о компьютере и др. Они предназначены для всех категорий пользователей, используются для эффективной работы компьютера и пользователя, а также эффективного выполнения прикладных программ.
Центральное место среди системных программ занимают операционные системы (англ. operating systems ). Операционная система (ОС) – это комплекс программ, предназначенных для управления загрузкой, запуском и выполнением других пользовательских программ, а также для планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ, т.е. управления работой ПЭВМ с момента включения до момента выключения питания. Она загружается автоматически при включении компьютера, ведет диалог с пользователем, осуществляет управление компьютером, его ресурсами (оперативной памятью, дисковым пространством и т.д.), запускает другие программы на выполнение и обеспечивает пользователю и программам удобный способ общения – интерфейс – с устройствами компьютера. Другими словами, операционная система обеспечивает функционирование и взаимосвязь всех компонентов компьютера, а также предоставляет пользователю доступ к его аппаратным возможностям.
ОС определяет производительность системы, степень защиты данных, выбор программ, с которыми можно работать на компьютере, требования к аппаратным средствам. Примерами ОС являются MS DOS, OS/2, Unix, Windows 9х, Windows XP.
Сервисные системы расширяют возможности ОС по обслуживанию системы, обеспечивают удобство работы пользователя. К этой категории относят системы технического обслуживания, программные оболочки и среды ОС, а также служебные программы.
Системы технического обслуживания – это совокупность программно-аппаратных средств ПК, которые выполняют контроль, тестирование и диагностику и используются для проверки функционирования устройств компьютера и обнаружения неисправностей в процессе работы компьютера. Они являются инструментом специалистов по эксплуатации и ремонту технических средств компьютера.
Для организации более удобного и наглядного интерфейса пользователя с компьютером используются программныеоболочки операционных систем – программы, которые позволяют пользователю отличными от предоставляемых ОС средствами (более понятными и эффективными) осуществлять действия по управлению ресурсами компьютера. К числу наиболее популярных оболочек относятся пакеты NortonCommander (Symantec ), FAR (FileandArchivemanageR) (Е.Рошаль ).
Служебные программы (утилиты, лат. utilitas – польза) – это вспомогательные программы, предоставляющие пользователю ряд дополнительных услуг по реализации часто выполняемых работ или же повышающие удобство и комфортность работы. К ним относятся:
· программы-упаковщики (архиваторы), которые позволяют более плотно записывать информацию на дисках, а также объединять копии нескольких файлов в один, так называемый, архивный файл (архив);
· антивирусные программы, предназначенные для предотвращения заражения компьютерными вирусами и ликвидации последствий заражения;
· программы оптимизации и контроля качества дискового пространства;
· программы восстановления информации, форматирования, защиты данных;
· программы для записи компакт-дисков;
· драйверы – программы, расширяющие возможности операционной системы по управлению устройствами ввода/вывода, оперативной памятью и т.д. При подключении к компьютеру новых устройств необходимо установить соответствующие драйверы;
· коммуникационные программы, организующие обмен информацией между компьютерами и др.
Некоторые утилиты входят в состав операционной системы, а некоторые поставляются на рынок как самостоятельные программные продукты, например, многофункциональный пакет сервисных утилит NortonUtilities (Symantec ).
Прикладное программное обеспечение (ППО) предназначено для решения задач пользователя. В его состав входятприкладные программы пользователей ипакеты прикладных программ (ППП) различного назначения.
Прикладная программапользователя – это любая программа, способствующая решению какой-либо задачи в пределах данной проблемной области. Прикладные программы могут использоваться либо автономно, либо в составе программных комплексов или пакетов.
Пакеты прикладных программ (ППП) – это специальным образом организованные программные комплексы, рассчитанные на общее применение в определенной проблемной области и дополненные соответствующей технической документацией. Различают следующие типы ППП:
· ППП общего назначения – универсальные программные продукты, предназначенные для автоматизации широкого класса задач пользователя. К ним относятся:
Текстовые редакторы (например, MSWord, WordPerfect, Лексикон);
Табличные процессоры (например, MSExcel, Lotus 1-2-3, QuattroPro);
Системы динамических презентаций (например, MSPowerPoint, FreelanceGraphics, HarvardGraphics);
Системы управления базами данных (например, MSAccess, Oracle, MSSQLServer, Informix);
Графические редакторы (например, СorelDraw, AdobePhotoshop);
Издательские системы (например, PageMaker, VenturePublisher);
Системы автоматизации проектирования (например, BPWin, ERWin);
Электронные словари и системы перевода (например, Prompt, Сократ, Лингво, Контекст);
Системы распознавания текста (например, FineReader, CuneiForm).
Системы общего назначения часто интегрируются в многокомпонентные пакеты для автоматизации офисной деятельности – офисные пакеты – MicrosoftOffice, StarOffice и др.
· методо-ориентированные ППП , в основе которых лежит реализация математических методов решения задач. К ним относятся, например, системы математической обработки данных (Mathematica, MathCad, Maple), системы статистической обработки данных (Statistica, Stat).;
· проблемно-ориентированные ППП предназначены для решения определенной задачи в конкретной предметной области. Например, информационно-правовые системы ЮрЭксперт, ЮрИнформ; пакеты бухгалтерского учета и контроля 1С: Бухгалтерия, Галактика, Анжелика; в области маркетинга –Касатка, MarketingExpert; банковская система СТБанк;
· интегрированные ППП представляют собой набор нескольких программных продуктов, объединенных в единый инструмент. Наиболее развитые из них включают в себя текстовый редактор, персональный менеджер (органайзер), электронную таблицу, систему управления базами данных, средства поддержки электронной почты, программу создания презентационной графики. Результаты, полученные отдельными подпрограммами, могут быть объединены в окончательный документ, содержащий табличный, графический и текстовый материал. К ним относят, например, MSWorks. Интегрированные пакеты, как правило, содержат некоторое ядро, обеспечивающее возможность тесного взаимодействия между составляющими.
Обычно пакеты прикладных программ имеют средства настройки, что позволяет при эксплуатации адаптировать их к специфике предметной области.
К инструментальному программному обеспечению относят: системы программирования – для разработки новых программ, например, Паскаль, Бейсик. Обычно они включают: редактор текстов , обеспечивающий создание и редактирование программ на исходном языке программирования (исходных программ), транслятор , а также библиотеки подпрограмм ; инструментальные среды для разработки приложений, например, C++, Delphi, VisualBasic, Java, которые включают средства визуального программирования; системы моделирования , например, система имитационного моделирования MatLab, системы моделирования бизнес-процессов BpWin и баз данных ErWin и другие.
Транслятор (англ.translator – переводчик) – это программа-переводчик, которая преобразует программу с языка высокого уровня в программу, состоящую из машинных команд. Трансляторы реализуются в видекомпиляторов илиинтерпретаторов, которые существенно различаются по принципам работы.
Компилятор (англ.compiler – составитель, собиратель) читает всю программуцеликом , делает ее перевод и создает законченный вариант программы на машинном языке, который затем и выполняется. После компилирования получается исполняемая программа, при выполнении которой не нужна ни исходная программа, ни компилятор.
Интерпретатор (англ.interpreter – истолкователь, устный переводчик) переводит и выполняет программустрока за строкой . Программа, обрабатываемая интерпретатором, должна заново переводиться на машинный язык при каждом очередном ее запуске.
Откомпилированные программы работают быстрее, но интерпретируемые проще исправлять и изменять.
Введение.
Введение ………………………………………………………………….……………...…1 стр.
Сервисное программное обеспечение (утилиты) . …………………………………...2 стр.
Программы технического обслуживания ……………………………………………..4 стр.
Архивация …………………………………………………………………………………6 стр.
Антивирусные программы………………………………………………………………7 стр.
Сервисное программное обеспечение (утилиты) .
Сервисное программное обеспечение – это совокупность программных продуктов, предоставляющих пользователю дополнительные услуги в работе с компьютером и расширяющих возможности операционных систем.
По функциональным возможностям сервисные средства можно подразделять на:
· улучшающие пользовательский интерфейс:
· защищающие данные от разрушения и несанкционированного доступа;
· восстанавливающие данные;
· ускоряющие обмен данными между диском и ОЗУ;
· архивации-разархивации;
· антивирусные средства.
По способу организации и реализации сервисные средства могут быть представлены: оболочками, утилитами и автономными программами. Разница между оболочками и утилитами зачастую выражается лишь в универсальности первых и специализации вторых.
Оболочки предоставляют пользователю качественно новый интерфейс и освобождают его от детального знания операции и команд ОС. Функции большинства оболочек, например семейства MS-DOS, направлены на работу с файлами и каталогами и обеспечивают быстрый поиск файлов; создание, просмотр и редактирование текстовых файлов; выдачу сведений о размещении файлов на дисках, о степени занятости дискового пространства и ОЗУ.
Все оболочки обеспечивают ту или иную степень защиты от ошибок пользователя, что уменьшает вероятность случайного уничтожения файлов.
Среди имеющихся оболочек для семейства MS-DOS наиболее популярна оболочка Norton Commander.
Утилиты – программы, служащие для выполнения вспомогательных операций обработки данных или обслуживания компьютеров.
Наиболее часто используются утилиты следующего назначения:
- Программы резервирования – создают резервные копии информации на дисках.
- Антивирусные программы – предназначены для предотвращения заражения компьютерным вирусом и ликвидации последствий заражения.
- Программы-упаковщики позволяют за счет применения специальных методов «упаковки», сжимать информацию на дисках, а также объединять копии нескольких файлов в один архивный файл. Для DOS – PKZIP и ARJ .
- Программы-русификаторы, приспосабливают другую программу для работы с русскими буквами и текстами (а иногда переводят на русский язык её меню и сообщения).
- Программы удаления приложений. Многие комплексы программ содержат программы установки, но не содержат средств, для удаления этих комплексов. Для корректного удаления комплексов программ используются программы удаления приложений.
- Программы для оптимизации дисков позволяют обеспечить более быстрый доступ к информации на диске за счет оптимизации размещения данных на диске. Эти программы перемещают все участки каждого файла друг к другу, собирают все файлы в начале диска и т. д. Из программ для оптимизации широко используется SpeeDisk .
- Программы ограничения доступа к данным. Во многих случаях нужно защитить компьютер от нежелательных пользователей. Программа Norton DiskLock защищает паролем компьютер, не позволяя загрузить компьютер посторонним, запрашивает пароль после перерыва в работе и т. д.
- Программы для управления памятью обеспечивают более гибкое использование оперативной памяти компьютера.
- Программы-кэши для диска убыстряют доступ к информации на диске путем организации в оперативной памяти кэш-буфера, содержащего наиболее часто используемые участки диска.
Утилиты предоставляют пользователю дополнительные услуги (не требующие разработки специальных программ) в основном по обслуживанию дисков и файловой системы.
Утилиты чаще всего позволяют выполнять следующие функции:
· обслуживание дисков (форматирование, обеспечение сохранности информации, возможности ее восстановления в случае сбоя и т.д.);
· обслуживание файлов и каталогов (аналогично оболочкам);
· создание и обновление архивов;
· предоставление информации о ресурсах компьютера, о дисковом пространстве, о распределении ОЗУ между программами;
· печать текстовых и других файлов в различных режимах и форматах;
· защита от компьютерных вирусов.
Из утилит, получивших наибольшую известность, можно назвать многофункциональный комплекс Norton Utilities.
Программы технического обслуживания.
Под программами технического обслуживания понимается совокупность программно-аппаратных средств для диагностики и обнаружения ошибок в процессе работы компьютера или вычислительной системы в целом.
Они включают в себя:
· средства диагностики и тестового контроля правильности работы ЭВМ и ее отдельных частей, в том числе автоматического поиска ошибок и неисправностей с определенной локализацией их в ЭВМ;
· специальные программы диагностики и контроля вычислительной среды информационной системы в целом, в том числе программно-аппаратный контроль, осуществляющий автоматическую проверку работоспособности системы обработки данных перед началом работы вычислительной системы в очередную производственную смену.
Комплекс программ технического обслуживания
Особенности состава технических средств ЭВМ учитываются комплексом программ технического обслуживания (КПТО). Этот комплекс включает в свой состав наладочные, проверочные и диагностические тест-программы.
Наладочные программы обеспечивают автономную настройку и проверку отдельных устройств ЭВМ. Обычно они функционально независимы от программ ОС. Проверочные тест-программы предназначены для периодически проводимых проверок правильности функционирования устройств, например после включения их в работу. Диагностические программы используются в тех случаях, когда необходимо классифицировать отказ оборудования и локализовать место неисправности. Инициирование работы этих программ осуществляется обычно модулями ОС после фиксации сбоев и отказов аппаратуры контроля.
Проверочные тест - программы занимают особое место в КПТО. Их выполнение непосредственно перед вычислениями позволяет убедиться в исправности технических средств системы, а значит, повысить достоверность результатов обработки данных.
У IBM PC эти средства имеют своеобразную структурную и функциональную организацию. Часть этих средств записана в ПЗУ компьютера. При каждом включении ПЭВМ и перезагрузках производится ее предварительная проверка путем выполнения тестовой программы POST (Power On Set Test), состоящей из более десятка отдельных программных фрагментов. Последовательность проверок заключается в следующем. Вначале проверяется работоспособность системного блока. Для этого все регистры машины "сбрасываются в нуль", и производится их последовательная проверка путем занесения отдельных констант, выполнения над ними простейших операций и сравнения результатов с эталонными значениями. После этого проверяются ячейки оперативной памяти (тесты оперативной памяти при перезагрузках системы от клавиш игнорируются). После этого проверяется стандартная периферия: клавиатура, накопители на дисках, дисплей и др. В случае каких-либо ошибок на каждом шаге проверки формируются определенные звуковые сигналы, сопровождаемые соответствующими сообщениями на экране дисплея.
Кроме встроенных средств контроля, в ПО ПЭВМ включаются и автономные средства контроля и диагностики. Количество подобных комплектов программ достаточно велико, и каждый их них позволяет детализировать системную информацию: определение полной конфигурации ПК и характеристик отдельных ее частей (тип процессора, наличие сопроцессора, тип материнской платы, типы используемых дисков, объем оперативной памяти и ее распределение, подключение дополнительной периферии и т.д.).
Помимо контроля работоспособности, они могут отразить, насколько эффективно используются ресурсы, и осуществить их перераспределение.
Все пользователи стараются пополнить программное обеспечение ПЭВМ вспомогательными системными программами-утилитами. Эти программы напрямую в вычислительном процессе не используются, а обеспечивают необходимый и разнообразный сервис при подготовке заданий пользователями. Часть таких программ может быть объединена в пакеты. Широкое распространение получили такие пакеты, как Norton Utilites, PC Tool Deluxe и др. Примерами подобных программ могут быть: программы-архиваторы, антивирусные программы, программы обслуживания дисков (оптимизация дисков, сжатие информации на дисках, определение состояния диска) и др.
Архивация.
Архиватор - это программа, которая сжимает файл или группу файлов в один архивный файл с целью уменьшения их размера. При этом не теряется ни бита информации, и любой файл можно из архива извлечь. Что дает архивация? Во-первых, экономия места на диске, во-вторых, на дискете можно перенести большой объем информации, в-третьих, есть возможность пересылать большие файлы по электронной почте.
С начала 80-х годов 20 века, в связи с массовым производством и внедрением персональных компьютеров (ПК), идея системной автоматизации процесса проектированиястановится практически осуществимой для проектных организаций любого масштаба: от крупного института до частного бюро. Понятие САПР, с одной стороны, упростилось и зачастую ассоциируется с той или иной компьютерной программой. С другой стороны, проектирование сложных технических объектов возможно лишь в рамках САПР как организационно-технической системы,в основе которой - весь потенциал информационных технологий.
Средства обеспечения САПР классифицируют как единство следующих компонентов: техническое, программное, математическое, методическое, информационное и организационное .
2.1. Техническое и программное обеспечение
Техническое обеспечение - это комплекс технических средств, с помощью которого осуществляют сбор, обработку, хранение, преобразование и передачу данных, связанных с объектом проектирования.
Основу технического обеспечения составляют средства вычислительной техники и, в первую очередь, это - персональный компьютер.
Стандартная конфигурация компьютера общеизвестна (см. рис. 2.1):
· системный блок, состоящий из процессора, оперативнойпамяти, блока питания, винчестера, другихнакопителей данных, портовподключения периферийных устройств;
· клавиатура для ввода информации;
· монитор для отображения информации;
· мышь для удобства диалога "человек-компьютер".
Рис. 2.1. Персональный компьютер стандартной конфигурации
Понятие периферийных устройств включает широкий перечень технических средств. В первую очередь, это средства сбора и обработки данных для проектирования. К ним можно отнести электронное геодезическое оборудование (тахеометры, системы спутниковой навигации, лазерные сканеры и пр.), которое или работает непосредственно под управлением компьютеров, или передает данные измеренийв виде компьютерных файлов. Более подробная информация о технических средствах инженерных изысканий изложена в гл. 4.
Если исходная информация о проектируемой дороге представлена в виде планшетов топографических планов, то для преобразования информации из бумажного вида в электронный применяют сканеры (см. рис.2.2,а). Сканеры бывают рулонные или планшетные. Точность сканирования последних существенно выше и может достигать 12000 dpi (dots per inch - точек на дюйм). Когда речь идет о проектировании сложных технических объектов, то применяют инженерные сканеры большого формата A 0(A 1).
Выходную графическую информацию об объекте проектирования (чертежи) печатают на плоттерах также большого формата. По способу подачи бумаги плоттеры как и сканеры, бывают рулонные (рис.2.2,б)или планшетные. По способу нанесения красящего вещества – лазерные или струйные. Вопрос о том, каким должен быть инженерный чертеж,черно-белым или цветным, в последнее время однозначно решается в пользу цветного. Во-первых, в виду существенного прогресса в области цветной печати, которая стала незначительно дороже черно-белой. Во-вторых, цвет несет дополнительную информацию о проектируемом объекте и способствует повышению эффективности зрительного анализа таких чертежей.
SHAPE\* MERGEFORMAT
Рис. 2.2. а) Сканер рулонный; б) Плоттеррулонный
К периферийным устройствам компьютера также можно отнести аппараты цифрового фото и видео, которые в настоящее время широко применяются при сборе исходных данных для проектирования дорог.
Для организации коллективной работы над проектом и оперативного обмена информацией компьютеры объединяют в локальные (интранет) и глобальные (интернет) сети, техническими компонентами которых являются серверы, сетевые плата, модемы, оптоволоконные сети и пр.
Программное обеспечение САПР подразделяют на общесистемное и прикладное .
К общесистемному программному обеспечению относят, в первую очередь, операционные системы (ОС), которые управляют всеми процессами, происходящими в компьютерах. Появление и эволюция ОС происходила параллельно с развитием самих компьютеров. Если создание первого персонального компьютера ассоциируют с фирмой IBM (www . ibm . com ), то первая массовая ОС появилась для этого компьютера от фирмы Microsoft ( www. microsoft. com ) и называлась MS - DOS .
14-летний путь эволюции (с 1981 по 1995 г.г.) MS - DOS версий 1.0-7.0 способствовал внедрению компьютеров от решенияузких инженерных задач до повсеместного их применения во всех сферах жизни.
С начала 90-х годов на смену MS - DOS приходит Windows (от англ. – окна) также от фирмы Microsoft , котораяпозволяет одновременно работать с несколькими программами (окнами), с легкостью переключаясь между ними без необходимости закрывать и перезапускать отдельные программы. На начальном этапе развития Windows выполняла роль графического интерфейса для MS - DOS .
С выходом Windows 3.1 (1992 г.) эта операционная система ассоциируется как самостоятельная, способная работать с оперативной памятью более 640 кб, с масштабируемыми шрифтами TrueType .
Выпуск в 1993 г. Windows NT (сокращение от New Technology – новая технология) был хорошо принят разработчиками благодаря ее повышенной защищенности, стабильности и развитому API -интерфейсу Win 32 , упрощающему составление мощных программ.
В 1995 г. выходит Windows 95 – самая дружественная пользователю версия Windows , для инсталляции которой не требуется предварительно устанавливать DOS ; ее появление делает ПК более доступным массовому потребителю. В Windows 95 имеются встроенный набор протоколов TCP / IP и допускается использование длинных имен файлов.
Windows 98 (1998 г.) – последняя версия Windows на базе старого ядра, функционирующего на фундаменте DOS . Система Windows 98 интегрирована с браузером Internet Explorer 4 и совместима с многочисленными новыми аппаратными стандартами, в том числе USB-портами. Последующие версии Windows разрабатывались на базе ядра NT.
В настоящее время (с 2001 г.) большинство прикладных программ, в том числе САПР, функционирует под управлением операционной системы MS Windows XP (от англ. eXPerience – опыт).
Новый проблемно-ориентированный интерфейс MS Windows XP позволяет в кратчайшие сроки освоить принципы работы с операционной системой даже тем пользователям, которые ранее никогда не сталкивались с системами семейства Windows . Применяемые в Windows XP расширенные web-технологии открывают возможность обмена текстовыми и голосовыми сообщениями, создания web-проектов различного уровня сложности и совместного использования приложений не только в локальной сети, но и в Интернете.
К условно общесистемному программному обеспечению можно отнести MS Office , ряд приложений которого (текстовый редактор Word , электронные таблицы Excel ) стали де-факто стандартами в своем классе программ. Практически все САПР, формирующие в качестве выходных данных текстовые документы, осуществляют это в среде MS Word , а табличные формы – в среде MS Excel .
К прикладным программам, помимо самих САПР, можно отнести: векторизаторы; программы обработки геодезических данных, данных дистанционного зондирования; системы управлениями базами данных (СУБД);системы управления проектно-конструкторской документацией (СУПКД) и др.
Последние из перечисленных (СУПКД) являются исключительно важными в работе проектных организаций, поскольку в значительной степени обеспечивают функционирование систем контроля качества при производстве проектной продукции.
Из множества программ этого класса наиболее полнофункциональной системой является Party PLUS (разработчик – компания Лоция Софт, Москва, www . lotsia . com ).
Party PLUS является профессиональной системой, построенной в архитектуре "клиент-сервер" на базе СУБД типа Oracle , MS SQL - Server , Sybase и отличающейся надежностью, производительностью, масштабируемостью и защищенностью.
Рис. 2.3. Система управления документацией Party PLUS
Система содержит защищенный архив документов, а также встроенные средства свободной и предопределенной маршрутизации документов, работ и управления бизнес-процессами. Система поддерживает режим параллельной коллективной работы различных групп пользователей и обеспечивает управление всей относящейся к проекту информацией, что позволяет сотрудникам проектной организации не только получать доступ к описанию проекта, но и управлять информацией об этом проекте.
Если на предприятии несколько территориально распределенных проектных отделов, то с помощью Party PLUS можно организовать отлаженное взаимодействие удаленных подразделений при работе над несколькими проектами.
Party PLUS обладает функцией ведения истории всех инженерных изменений в структуре проекта, возможностью сравнения текущего состояния с состоянием на любую дату. Имеются средства поддержки многовариантного проектирования с хранением вариантов, не вошедших в основной проект, средства поддержки работы с версиями документов. Имеется возможность задавать для элемента проекта аналоги или родственные элементы, группировать элементы по различным критериям.
Система Party PLUS универсальна, максимально гибка для решения задач в различных отраслях инженерной деятельности, включая дорожную отрасль, и ориентирована на равноправную работу с различными САПР.
2.2. Математическое и методическое обеспечение
Математическое обеспечение – это совокупность аналитических и численных методов, математических моделейи алгоритмов выполнения проектных процедур. Применение тех или иных методов зависит от уровня развития САПР, свойств объектов проектирования и характера решаемых задач.
На начальном этапе развития САПР осуществлялась алгоритмизация ручных методов проектирования. Это способствовало сокращению времени проектирования, но качество проектных решений при этом практически не улучшалось.
Первые работы в области оптимизации проектных решений начались в 70-е годы и были связаны, в первую очередь, с проектированием продольного профиля. Работы Е.Л.Фильштейна и его метод "граничных итераций", В.И.Струченкова и его метод "проекции градиента" устанавливали положение проектной линии продольного профиля с учетом минимизации объемов земляных работ. Уже на этом этапе пришлось отказаться от представления проектной линии в виде последовательности прямых и дуг окружностей, а перейтина модель проектной линии в виде ломаной (линейного сплайна). Однако этиметоды не затрагивали общих (базовых) принципов изысканий и проектирования автомобильных дорог.
Переход в 90-е годына системную автоматизацию дорожного проектирования на основе цифровых моделей местности привел к существенному изменению всей технологии проектно-изыскательских работ.
В период "ручного" проектирования автомобильных дорог геодезические изыскания выполнялись "пикетным" методом. Суть этого метода заключается в следующих этапах работ :
· Полевое трассирование автомобильной дороги. При этом тангенциальный ход трассы является одновременно и магистральным ходом для всех последующих разбивочных работ, как на стадии изысканий, так и на стадии строительства.
· Планово-высотное закрепление трассы притрассовыми реперами и угловыми столбами.
· Разбивка пикетажа по трассе. Разбиваются и закрепляются не только пикетные точки, но и плюсовые (характерные) точки, связанные с изломами рельефа, пересечением водных потоков, инженерных коммуникаций и дорог.
· Двойное продольное геометрическое нивелирование трассы по принятому пикетажу.
· Съемка поперечников. При разбивке пикетажа по трассе одновременно осуществляют разбивку поперечников на всех пикетных и плюсовых точках. На прямолинейных участках трассы поперечники разбивают перпендикулярно к оси дороги, а на криволинейных участках – перпендикулярно касательной к трассе. Длину поперечника принимают такой, чтобыв его пределах разместились земляное полотно со всеми его конструктивными элементами.
Съемку поперечников осуществляют для построения продольного и поперечных профилей по принятой трассе для последующего проектирования земляного полотна, организации системы поверхностного водоотвода, подсчета объемов земляных работ и подготовки проектной документации.
Как следует из вышеприведенного, при "пикетном" методе изысканий изменение положения трассы и, следовательно, всех остальных проекций на проектной стадии не возможно. Таким образом, творческое начало проектной деятельности при этом методе ограничено ввиду предопределенности положения трассы дороги,что существенно сказывается на качестве конечных проектных решений. Заметим также, что в полевых условиях трассирования, в отсутствии компьютерной техники, инженер-изыскатель ограничивался элементарной схемой закругления трассы типа "клотоида- круговая кривая-клотоида", разбивку которойможно было произвести по соответствующим разбивочным таблицам.
Совершенно другую перспективу открывает "беспикетный" метод изысканий дорог, приоритетное применение которого стало возможным благодаря достижениям электронной тахеометрии и вычислительной техники.
Изыскания по этому методу состоят в следующем:
· В полосе возможных проектных решений, определенной на предпроектной стадии, закладывается и закрепляется магистральный ход (сеть ходов).
· Осуществляется тахеометрическая съемка полосы варьирования. При этом обеспечивается высокая производительность работ, посколькувсе измерения, необходимые для определения пространственных координат съемочных точек местности, выполняют комплексно с использованием одного геодезического прибора – тахеометра.
· С электронного тахеометра в компьютер считывается цифровая модель местности, которая является основой для всех последующих проектных процедур.
Заметим, что при "беспикетном" методе изысканий местоположение трассы определяется ни на стадии изысканий, а на стадии проектирования (в камеральных условиях). Это дает возможность варьировать местоположением трассы практически на любом этапе проектирования, применять для установления местоположения трассы и ее описаниясамые современные математические методы, в том числе и оптимизационные.
Учитывая трехмерную природу ЦММ и порождаемых ею поверхностей, появляется уникальная возможность пространственного трассирования дорог. В настоящее время методология и алгоритмы пространственного трассирования успешно разрабатываются в рамках САПР и скоро должны пополнить арсенал передовых технологий для дорожной проектной практики.
Из множества методов вычислительной математики, ставших доступными в условиях системной автоматизации проектных работ, остановимся на сплайнах и кривых Безье, применяемых при автоматизированном трассировании дорог в плане и продольном профиле.
Интерполяционные сплайны. Как известно, термин "сплайн" происходит от названия чертежного инструмента – тонкой металлической или деревянной линейки, которая изгибается так, чтобы проходить через заданные точки (x i , y i = f (x i )).
Тогда сплайн в положении равновесия принимает форму, которая минимизирует его потенциальную энергию. И в теории балок установлено, что эта энергия пропорциональна интегралу по длине дуги от квадрата кривизны сплайна:
при условиях S (x i ) = y i .
Рис. 2.4. Очертания сплайна как математического аналога линейки
Сплайны можно определить 2-мя способами: исходя из взаимного согласования простых функций и из решения задачи минимизации .
К сплайнам, определяемым по первому способу, можно отнести интерполяционные сплайны, которые необходимы для аналитического представления дискретно заданной информации.
Сглаживающие сплайны определяют чаще всего на основе 2-го способа. Именно сглаживающие сплайны должны найти самое широкое применение для оптимизации тех проектных решений, которые на начальной стадии рассмотрения носят, как правило, приближенный характер.
В проектной практике применяют, как правило, сплайны 1-й и 3-й степени. Сплайны 1-й степени (линейные) служат, во-первых, хорошей и доступной иллюстрацией к пониманию процессов построения сплайновых алгоритмов, во-вторых, достаточны для описания геометрических элементов дорог, представляемых в виде ломаных линий (магистральные и тангенциальные ходы, продольные и поперечные профили земли и т.д.).
Сплайны 1-й степени. Сплайны 1-й степени (ломаные) достаточно просты для понимания и,в то же, время, отражают основные свойства сплайн-функций. С математической точки зрения, сплайн 1-й степени – это кусочно-непрерывная функция, на каждом отрезке описываемая уравнением вида:
y = a i + b i x , (2.2)
где i – номер рассматриваемого интервала между узлами интерполяции x i и x i + 1 .
Как видно из формулы (2.2), на элементарноминтервале вид уравнения не отличается от общепринятого выражения прямой. В целом, уравнение ломаной (сплайна 1-й степени) в матричной форме можно записать как:
(2.3)
Эта система линейных уравнений не требует совместного решения и распадается на решения каждого уравнения в отдельности. Сплайн, решение которого связано с вычислением подсистем небольшой размерности, в данном случае – уравнений первого порядка, будем называть локальным.
Интерполяционный сплайн 1-й степени – это ломаная, проходящая через точки (x i , y i ). Для совокупности x i (i = 0, 1,… , n ) в интервале [a, b ] при этом должно выполняться условие x i 1 .
Используя полином Лагранжа, можно построить сплайн для интервала i – (i + 1):
(2.4)
Обозначение S 1 (x ) будем понимать как сплайн-функцию первой степени. Иначе уравнение (2.4) можно записать:
(2.5)
Если принять о форма уравнений (2.2) и (2.5) совпадает. Для построения алгоритма и составления процедуры построения и вычисления сплайна необходимо помнить всего лишь 2n +2 числа.
Сплайны 3-й степени. Сплайны 3-й степени (кубические) – это кусочно-непрерывная (непрерывность 1-й и 2-й производных) функция,состоящая из отрезков кубических парабол.
В настоящее время существует множество алгоритмов построения и расчета на ЭВМ кубических сплайнов, что обусловлено широким их использованием в решении технических задач, связанных синтерполяцией кривых и поверхностей.
При решении поставленной задачи между n узлами находятся n –1 фрагментов кубических кривых, а кубическая кривая, в свою очередь, определяется 4-мя параметрами. Поскольку значение функции и 1-й, 2-й производных (X s , X ¢ s , X ² s ) непрерывны во всех (n –2)-х внутренних узлах, то имеем 3(n –2) условий. В узлах X si = X i накладываются еще n условий на X s . Отсюда получаем 4n –6 условий. Для однозначного определения сплайна необходимо еще два условия, которые обычно связываются с так называемыми краевыми (граничными) условиями. Например, зачастую принимается просто . В этом случае получаем необходимое количество условий для определения естественного сплайна в виде:
Недостатком этого сплайна является то, что у него нет возможности изменения формы на участке между двумя жестко закрепленными интерполяционными точками. Лишь перемещением одной из точек интерполяции можно добиться некоторого изменения формы сплайн-кривой. При этом, в силу того, что кубический интерполяционный сплайн относится к нелокальным методам аппроксимации, его значения в точках, не совпадающих с узлами сетки Δ: a = x 0 x N = b , зависят от всей совокупности величин f i = f (x i ), i = 0, 1 ,…, N , и еще от значений краевых условий в точках a , b ; следовательно, желательный эффект изменения формы сплайн-кривой в одном месте интервала интерполяции может перекрываться нежелательными изменениями на всем остальном отрезке.
Однако методы борьбы с этим неприятным явлением известны. Это, во-первых, применение локальных интерполяций эрмитового типа, для которых значение сплайна на промежутке между узлами сетки зависит от значений функции и ее производных только из некоторой окрестности этого промежутка.
Во-вторых, интерполяция на основе рациональных сплайнов . Сохраняя одно из важнейших свойств кубической сплайн-интерполяции – простоту и эффективность реализации на ЭВМ – рациональные сплайны обладают возможностью приближения функций с большими градиентами или точками излома, при этом устраняя осцилляции, присущие обычному кубическому сплайну.
Рациональной сплайн-функцией называют функцию S (x ), которая на каждом промежутке интерполяции [x i , x i +1 ] записывается в виде
(2.7)
где t = (x-x i )/h i , h i = x i + 1 - x i , p i , q i – заданные числа, -1 p i , q i и при этом непрерывна вместе со своими первой и второй производными.
Из выражения (2.7) видно, что при p i = q i = 0, i = 0, 1,…, N –1, рациональный сплайн превращается в обычный кубический сплайн. Кроме того, можно считать, что сплайн первой степени также является частным случаем кубического сплайна, поскольку при всех p i , q i –>∞, i = 0, 1,…, N –1, справедливо S (x )–> f i (1– t )+ f i +1 t , x Î [x i , x i +1 ].
Таким образом, можно ожидать, что при использовании рациональных сплайнов путем надлежащего выбора свободных параметров p i , q i достигается высокая точность приближения на участках достаточной гладкости интерполируемой функции, а на участках с большими градиентами удовлетворяются требования качественного характера – выпуклости и монотонности.
Использование рациональной сплайн-функции позволяет описать единообразной зависимостью трассу с максимальным приближением к трассе, заданной традиционными элементами. Варьируя значениями коэффициентов p i и q i , имеется возможность полной имитации сплайн-функцией традиционных элементов плана трассы (прямой, круговой кривой, клотоиды).
"Слабым" местом в обосновании интерполяционных сплайнов как универсального математического аппарата при трассировании автомобильных дорог является допущение (условие), что узлы интерполяции назначены проектировщиком верно и при вычислении значений самого сплайна корректировке не подлежат.
Проанализируем, как на практике назначают местоположение узлов?
Если трассирование выполняется на основе карты или топографического плана, то проводится эскизная линия дороги, которая, по мнению проектировщика,является наиболее целесообразной при заданных условиях, "от руки" или с помощью механических приспособлений. Далее на эскизной линии фиксируются узлы интерполяции и замеряются их координаты. При этом не существует строго формализованных алгоритмов назначения местоположения узлов, есть лишь ряд практических советов. В частности: частое расположение узлов приводит к осцилляции кривизны такого сплайна ввиду неизбежной погрешности съемки координат узлов интерполяции; редкое их расположение вызывает существенные отклонения сплайн-трассы от порождающей ее эскизной линии.
Если трассирование выполняется по материалам полевых изысканий, то узлами сплайн-интерполяции, в этом случае, являются съемочные точки цифровой модели местностии погрешность в установлении их координат еще более очевидна ввиду наличия ошибок случайного и систематического характера.
Хорошего приближения сплайн-трассы к эскизному варианту и, в то же время, достаточной ее гладкости (плавности) можно добиться, как правило, лишь при многократной интуитивной корректировке проектировщиком узлов интерполяции.
Отсюда следует, что интерполяционные сплайны не являются математическим аппаратом оптимального трассирования, а лишь удобным и во многих задачах чрезвычайно эффективным инструментарием компьютерной обработки эскизно назначенных проектных решений. Качество таких решений существенно зависит от квалификации проектировщика.
Из вышеприведенных рассуждений вытекает, что постановка задачи трассирования на основе сплайнов должна предполагать следующее: узлы интерполяции эскизной трассы, а в случае реконструкции – исходной трассы, назначаются приближенно (с допуском) и точное их местоположение вычисляется по определенным закономерностям, учитывающим ряд основополагающих целевых установок самого процесса трассирования. В математической терминологии эту задачу можно отнести к задачам генерации геометрических форм по их грубым (приближенным) описаниям или задачам сглаживания.
Сглаживающие сплайны. В качестве математического аппарата для решения задачи трассирования дорог применяют сглаживающие сплайны, которые минимизируют функционал вида:
при ограничениях, например,
В записи функционала q = 1, 2; S (x i ) – сплайн; r i – вe совой коэффициент узла интерполяции; f 0 (x i ) – функция начального приближения.
Ограничения могут быть самыми разными и в случае трассирования дорог это: ограничения по допустимому радиусу, направлению трассыв плане иуклону в продольном профиле и т. п. При этом для сплайнов третьей степени должны быть добавлены так называемые "краевые условия" в точках x 0 = a , x n = b , обеспечивающие единственность построения сплайна. Например, это могут быть условия заданного начального и конечного направления проектируемого участка трассы S ¢ (x a ), S ¢ (x b ).
Из формы записи совместных условий (2.8) – (2.10) следует, что это – задача условной оптимизации.
Условие (2.9) позволяет смещать узлы интерполяции в установленном коридоре варьирования по заданному алгоритму. Признаком завершения итерационного процесса оптимизации служит выполнение условия(2.10) и означает, что на каждом дальнейшем итерационном шаге сдвиг любого из узлов не превысит величины d .
Если в условии (2.9) e i = 0, то вновь приходим к понятию интерполяционных сплайнов. Отсюда становится очевидным, что интерполяционные сплайны являются всего лишь частным случаем сглаживающих сплайнов.
Выбор сглаживающих сплайнов для дальнейшего подробного рассмотрения только в виде алгебраических полиномов и только 1-й и 3-й степени из всего многообразия обусловлен тем, что это наиболее простые в компьютерной реализации сплайны и, в то же время, имеют достаточные аппроксимативные свойства для описаний очертаний трассы и ее дифференциального анализа. В случае сплайнов 1-й степени этот анализ (1-еи 2-е производные) можно выполнить в виде разделенных разностей, а для сплайнов 3-й степени – непосредственным дифференцированием функции.
Функционал (2.8) хорошо моделирует задачу трассирования дорог при их реконструкции, которая состоит в том, чтобы добиться минимального отклонения проектируемой трассы от существующей, при одновременном условии по уклону и кривизне в продольном профиле,и по кривизне и скорости нарастания кривизны в плане согласно требованиям СНиП для данной категории дороги. Минимальное отклонение достигается за счет второго слагаемого,а условия по кривизне и уклону – первого слагаемого функционала (2.8).
При совместной минимизации двух слагаемых соотношение между ними регулируется весовыми коэффициентами r i , которые должны быть определенным образом нормированы.
Рассмотрим оптимизационные возможности функционала (2.8) в порядке возрастания его сложности.
Второе слагаемое функционала
известно как метод наименьших квадратов, и оно представляет собой функцию n +1-ой переменной S (x i ), i = 0, 1,…, n . Минимизация последней распадается в данном случае на минимизацию отдельных слагаемых независимо по каждой переменной.
В случае применения сплайнов 1-й степени первое слагаемоефункционала (2.8) будет записано, как
.(2.12)
Рассмотрим линейное приближение функционала длины дуги кривой
(здесь предполагается, что |S `(x )| мало). Очевидно, что решение задачи о минимизации функционала (2.13) совпадает с решением линеаризованной задачи об отыскании элемента минимальной длины. Полученное решение часто называют сплайном в выпуклом множестве.
После подстановки первой производной сплайна, совпадающей в данном случае с разделенной разностью, примет вид
(2.14)
где h i = x i +1 –x i .
Продифференцируем по переменной S (x i ) и сложим два последовательных слагаемых уравнения, содержащих эту неизвестную:
Приравняв полученную сумму нулю и выразив неизвестное S (x i ), получим
Здесь знак "=" представляет собой оператор присваивания. Если принять шаг интерполяции равномерным, то есть h i = const , то процесс оптимизации (пошаговых итераций) в графической интерпретации будет вполне понятен (рис. 3. 10).
Быстрая сходимость итерационного процесса позволяет рекомендовать этот метод для предварительной выработки проектных решений по проектной линии продольного профиля. В этом случае радиус кривизны и уклон проектной линии можно контролировать посредством построения первых и вторых разделенных разностей.
Рис. 2.5. Графическая интерпретация сглаживания линейного сплайна
Совместное рассмотрение суммы функционалов (2.12) и (2.14) дает нам рекуррентную формулу для оптимизации:
Сходимость итерационного процесса здесь, по сравнению с формулой (2.17), ниже и существенно зависит от величины r i . Весовой коэффициент r i позволяет замедлять или ускорять итерационный процесс в отдельных точках (узлах) и может, например для проектной линии, служить средством учета объема или стоимости возведения земляного полотна (дорожных работ) на участке единичной длины.
Рассмотрим первое слагаемое функционала (2.8) применительно к кубическим сплайнам:
Аналогично, решение задачи о сплайне в выпуклом множестве описывает (в линеаризованной постановке) положение, занимаемое упругой рейкой в коридоре ограничений. При замене второй производной второй разделенной разностью данный функционал примет вид:
где S ¢ (x a ), S ¢ (x b ) – одни из возможных краевых условий кубического сплайна. Применительно к проектной линии – это уклон в начальной (x a ) и конечной (x b ) точках проектируемого участка дороги.
Дифференцирование и суммирование уравнений даст нам соответствующие рекуррентные формулы, которые подробно приведены в специальной литературе .
Проектирование закруглений дороги в плане по классической схеме "клотоида – круговая кривая – клотоида" достаточно обоснованно с теоретических позиций, но на практике такая схема имеет множество изъянов и неудобств. Не вдаваясь в их суть, заметим, что если применить какую-либо функцию, которая могла бы одна в какой-то мере моделировать классическую схему (составную кривую), то с позиций удобства алгоритмизации и организации диалога "инженер-компьютер" это было бы достаточно эффективно.
Кривые Безье. В 1970г. Пьер Безье (французский математик) подобрал составляющие параметрического кубического многочлена таким образом, что их физический смысл стал очень наглядным и весьма подходящим для решения многих прикладных задач, в том числе и для целей проектирования дорог по принципу "тангенциального трассирования".
Формула Безье для кубического многочлена (n = 3) имеет следующий вид.
Пусть r i = , i = 0, 1, 2, 3, тогда для 0 ≤ t ≤ 1:
или в матричной форме:
Матрица M называется базисной матрицей кубической кривой Безье.
Кривая, представленная в форме Безье, проходит через точки r 0 и r 3 , имеет касательную в точке r 0 , направленную от r 0 к r 1 , и касательную в точке r 3 , направленную от r 2 к r 3 .
Прямые Р 0 Р 1 , Р 1 Р 2 и Р 2 Р 3 образуют фигуру, называемую характеристической (определяющей) ломаной, которая и предопределяет очертания кривой Безье (рис. 2.6).
Чтобы построить кривую, задают точки Р 0 и Р 3 , через которые должна проходить кривая, затем на желаемых касательных к этой кривой в точках Р 0 и Р 3 задают точки Р 1 и Р 2 . Изменяя длины отрезков Р 0 Р 1 и Р 2 Р 3 варьируют очертаниями кривой, придавая ей желаемую форму.
Рис. 2.6. Сегмент кубической кривой Безье
Главной контролируемой величиной при проектировании кривых в плане является радиус кривизны. Для того, чтобы вычислять радиус кривизны в каждой точке кривой, необходимо знать значения первой и второй производных радиуса-вектора точки. Для кубической кривой Безье первая и вторая производные вычисляют по нижеприведенным формулам:
Тогда кривизна (величина, обратная радиусу кривизны) вычисляется по формуле:
Помимо кривой Безье 3-го порядка (кубической) для целей трассирования дорог возможно применение также кривых Безье 2-го, 4-го и 5-го порядков. Соответствующие формулы для вычисления радиусов-векторов (и их производных) для этих кривых приведены ниже.
Кривая Безье 2-го порядка:
Кривая Безье 4-го порядка:
Кривая Безье 5-го порядка:
Объединением элементарных кривых Безье γ (1) , γ (2) ,…, γ ( l ) , у которых концевая точка кривой γ ( i ) , i = 1, 2,…, l – 1, совпадает с начальной точкой кривой γ ( i +1) , получается составная кривая Безье. Если каждая кривая γ ( i ) задается параметрическим уравнением вида
r = r ( i ) (t ), 0 ≤ t ≤ 1,
то это условие записывается так:
r ( i ) (1) = r ( i +1) (0), i = 1, 2,…, l –1.
В частности, для того, чтобы касательная составной кривой Безье, определяемой набором точек P 0 , P 1 , …, P m , изменялась непрерывно вдоль этой кривой, необходимо, чтобы тройки вершин P 3 i -1 , P 3 i , P 3 i +1 (i ≥ 1) были коллинеарными, то есть лежали на одной прямой (см. рис. 2.7).
Рис. 2.7. Составная кубическая кривая Безье
Пространственные кривые Безье. Выше, в рассуждениях о Безье-кривых понималось плоское расположение опорных точек трассы и, соответственно, рассматривалось представление только плоских кривых. В общем случаеопорные точки характеристической ломаной Безье задаются точками трехмерного пространства P i (x i , y i , z i ), i = 0, 1 ,…, m .
Тогда пространственная кривая Безье степени m определяется уравнением, имеющим следующий вид:
где – многочлены Бернштейна.
Матричная запись параметрических уравнений, описывающих пространственную кривую Безье, имеет вид:
0≤ t ≤ 1,
Более подробное изложение пространственного трассирования дорог приведено в гл. 5.
Методическое обеспечение – совокупность методических материалов, способствующих функционированию САПР.
Профессиональные САПР имеют, как правило, методическое сопровождение в виде "Справочных руководств" в бумажном виде. Главное меню таких систем также содержит раздел Справка (Помощь), в котором представлено описание основных проектных процедур.
В процессе эксплуатации САПР накапливается опыт рациональной выработки проектных решений на основе всей совокупности инструментальных средств системы. Этот опыт, как правило, излагается в форме "Практических руководств (пособий)" и способствует повышению эффективности и качества инженерного труда.
2.3. Информационное и организационное обеспечение
Информационное обеспечение – это совокупность средств и методов построения информационной базы для целей проектирования.
В состав информационного обеспечения входят: государственные стандарты (ГОСТ), строительные нормы (СН), строительные нормы и правила (СНиП), ведомственные строительные нормы (ВСН), типовые проектные решения по сооружениям и элементам автомобильных дорог. Все вышеперечисленные нормативно-информационные материалы существуют в бумажном виде или в виде электронных аналогов.
Другая часть информационного обеспечения существует только в электронном виде и является неотъемлемой частью САПР. Это библиотеки условных знаков (см. рис.2.8), классификаторы и коды, шаблоны типовых элементов в составе графических алгоритмов.
Рис. 2.8. Библиотечный условный знак для топографического плана
В процессе проектированияиспользуется также информация регионального характера. К ней относятся сведенияметеорологического и экологического характера, данные о рельефе и геологическом строении местности, сведения о местоположении карьеров грунтов и каменных материалов и др.
По другой классификации информацию можно подразделить на входную, промежуточную и выходную. Входная - совокупность исходных данных, необходимых для принятия проектного решения. Промежуточная -полученная ранее в результате решения одних задач и используемая для решения других, но не окончательные результаты решения задач. Выходная - полученная как результат решения задач и предназначенная для непосредственного использования в проектировании.
Организационное обеспечение представляет собой совокупность организационных и технических мероприятий, направленных на повышение эффективности функционирования САПР. К ним относятся: изменение организационной структуры проектной организации, ее отделов и подразделений; перераспределение функций между отделами; изменение технологии проектно-изыскательских работ и кадров состава сотрудников,повышение квалификации проектировщиковв сфере САПР, организация и функционирование систем управления качеством проектнойпродукции на основе международных стандартов ISO 9001:2000.
- Назад
- Вперёд
