Разработка и исследование интеллектуально-алгоритмической среды проектирования нового объекта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Юдин, Михаил Юрьевич

• Юдин, Михаил Юрьевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юдин, Михаил Юрьевич

гдение

лава. Обзор состояния и тенденции развития систем автоматизирс

шого проектирования (САПР)

Основные положения

Процесс проектирования и конструирования и проблема его автомата •алии

ЭС

1.10. Методы и этапы разработки ЭС. тальным средствам разработки 30..

Основные требования к инструмен-

1.11. Йытеллектуапизадия САПР. Компоненты ЭС в САПР. Гибридные

САПР (ГСАПР)

Выводы и заключения по первой главе

Постановка задачи исследования

2 глава. Анализ и описание объекта проектирования - ветроэнергетической установки (ВЭУ)

2.1 Общие сведения о ВЭУ. Основные принципы конструкции. Функции и отличительные свойства

2.2 Основные параметры и модели алгоритмического блока ГСАПР

Выводы и заключения по второй главе

3 глава. Разработка программного обеспечения прототипа ГСАПР

3.2. Достоинства и недостатки языка Пролог при традиционном программировании. Перспективы его применения

3.3. Разработка структурно-функциональной схемы ГСАПР КВЭУ

3.4. Разработка и описание основных алгоритмов ГСАПР

3.5. Разработка структуры БД

3.6. Построение базы знаний (ЪЗ) i САПР. Списание алгоритма проектирования БЗ

3.7. Разработка структуры интерфейса ГСАПР

Выводы по третьей главе

4 глава, особенности отладки и тестирования программного ооеспе-чения (ПО) ГСАПР

4.1. Отладка ПО ГСАПР

4.2. Тестирования ПО ГС/чГо

Выводы и заключения по четвёртой главе

Заключение. Основные научные и практические результаты работы

Литература

Приложение 1. Тексты программ демонстрационной версии гибридной

САПР КВЭУ

приложение à.. 1аолицы тестов программного Оиеепечения гиориднои

САПР КВЭУ

приложение э. -^ксплутационная программная документация I ежит1

Сокращения.

1. САПР - система автоматизированного проектирования

2. ТЗ - техническое задание

3. ВТ - вычислительная техника

4. ЙСОД - интегрированная система описания (обработки) данных

5. БД - база данных

6. СУБД - система управления базой данных

7. ПО - программное обеспечение

8. БПО - базовое программное обеспечение

9. ОС - операционная система

10.ППП - пакет прикладных программ

11 .ЦБК - центральный вычислительный комплекс

12 .АРМ - автоматизированное рабочее место

13.СОД - система обработки данных

14.ИИ - искусственный интеллект 15.ЭС - экспертная система

16.СИИ - система искусственного интеллекта

17.ГСАПР - гибридная система автоматизированного проектирования

18.ВЭУ - ветроэнергоустановка

19.БЗ - база знаний

20.ДМ - дедуктивная машина

21.ИС - инструментальные средства.

22.ВЭУ - ветроэнергоустановка

23.КВЭУ - карусельная ветроэнергоустановка

24.БФД - буфер данных

25.ТП - технические предложения

26.СОЗ - система обработки знаний

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование интеллектуально-алгоритмической среды проектирования нового объекта»

Введение.

При создании практически каждого изделия ставиться задача превзойти технические характеристики изделий-аналогов, например, улучшить параметры функционирования, снизить вес, трудоёмкость и себестоимость серийного изготовления и т.п.

Достижение этих показателей, как правило, требует поиска новых творческих решении, создания более современных моделей образцов, разработки и использования более совершенных методов расчета, совершенствования систем контроля и испытаний. Всё это делает сложным процесс подготовки и принятия проектных решений, эффективность которого основана как на достаточности, своевременности, достоверности информации, так и на перспективности используемых идей, порождённых глубокими знаниями. Всё, в конечном итоге, определяется конкретной областью инженерной деятельности. Однако, общим является то, что подготовку и принятие решений осуществляют конкретные люди, которые являются как потребителями, так и источниками информации, а также носителями идей в предметной области. Вместе с тем процесс подготовки и принятия проектных решений всегда включает технологию, не связанную с творчеством, но требующую большой затраты сил и времени на обработку, преобразование и представление информации в нужной форме, вы-

пуск проектно-конструкторской документации. Технологическая часть процесса проектирования в настоящее время эффективно решается на основе использования систем автоматизированного проектирования (САПР), которые называются алгоритмическими, т.к. основаны на использовании

математических моделей описания задач и алгоритмов их решения. Но ав-

\

томатизация технологической части подготовки проектных решений -только первая и относительно простая часть проблемы. Значительно важнее, но зато неизмеримо сложнее - автоматизация творческого труда. Поэтому важна разработка общей методологии решения проектных задач, основные контуры которой могут- быть определены как углублённое описание предметной области структурирование информации, классификация задач и методов их решения, решение трудноформализуемых или нефор-мализуемых задач.

совокупность таких задач наиболее характерна для начальных эта_ _____ _ _ - - ^ - _ -

пов проектирования, когда разраоатываются техническое задание и технические предложения, формирующие концепцию изделия, его структуру, выраоатываются треоования к основным параметрам и характеристикам на основе рассмотрения различных вариантов проектных решении, для решения этих задач необходимо, чтобы САПР обладала определённым уровнем интеллекта, если исходить из того, что интеллект начинается там, где есть выбор (а выбор порождается неопределённостью). А неопре-

деланность всякий раз проявляется именно в интеллектуальной (а не технологической) деятельности проектировщика, когда он стремиться сформировать (и формирует) правила, позволяющие ему решать соответствующие неформализованные задачи без содержательного раскрытия ситуации.

Комплексное решение проблемы автоматизации как формализуемых, так и неформализуемых задач может быть достигнуто на основе создания интеллектуально-алгоритмической среды проектирования путём встраивания в алгоритмическую САПР интеллектуальных (логических) компонент класса экспертных систем (ЭС) для решения эвристических задач. Основное свойство ЭС - менять свою структуру и содержание в процессе функционирования - отвечает одному из основных требований, предъявляемых к СлЛР, - возможности адаптироваться к условиям и характеру проектных работ. Принцип обучаемости ЭС за счёт изменения своей структуры и содержания должен сочетаться с принципом неизменной совокупности формализованных процедур, на которой строится иАПР с детерминированнои структурой.

Интеллектуализация алгоритмической и АИР приводит к гиоридной САПР (ГСАПР), которая позволит не только расширить круг решаемых ею задач проектирования, но и создаст более дружественную среду взаимо-

действия пользователя с системой, даст возможность пользователю самостоятельно наращивать возможности системы.

Несмотря на известные результаты исследований указанных проблем, их решение с целью построения эффективных технологий автоматизации начальных этапов проектирования, находится в самой начальной стадии и остаётся пока открытым вопросом теории и практики.

Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной и имеет непосредственное отношение к важной проблеме создания нового поколения САПР, решение которой существенно повлияет на возможность повышения эффективности управления техническим циклом проектирования, сокращения его сроков, повышения их качества и уровня конкурентоспособности проектируемых изделий.

Цель работы. Исследование и разработка методов построения прототипа интеллекгуально-алгоритмической среды для:

■ поддержки принятия решений на начальных этапах автоматизированного проектирования нового объекта (формирование технического задания, разработка технических предложений, синтез структуры);

Ш создания условий непрограммирующему пользователю-проектировщику для самостоятельного наращивания функциональных возможностей системы.'

Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач:

1. Исследование методов и средств решения задачи комплексной автоматизации процесса проектирования.

2. Классификация задач (объектов) проектирования и исследование их проектирования как итеративного циклического процесса с целью выделения этапов с формализованными процедурами и процедурами, не поддающимися формализации.

3. Определение состава, соотношения и функций алгоритмических и интеллектуальных составляющих в системе автоматизации процесса проектирования нового объекта.

4. Модельное представление объекта для описания взаимосвязи основных технических и геометрических параметров с целью формирования алгоритмической компоненты системы проектирования.

5. Разработка стрзшурно-функциональной схемы гибридной САПР для поддержки проектных процедур на ранней стадии проектирования.

6. Исследование, анализ и обоснование выбора инструментальных средств для создания алгоритмических и интеллектуальных компонент гибридной САПР.

7. Разработка программного обеспечения гибридной САПР.

8. Исследование и разработка способов отладки и тестирования программного обеспечения гибридной САПР.

Практическая реализация решаемых задач рассматривается в классе

ветро-гидроэнергетических установок карусельного типа, удовлетворяющих новому охраноспособному решению.

Методы исследования. Для решения перечисленных задач использованы методы теории алгоритмов, математической логики, теории множеств, искусственного интеллекта, инженерии знаний и построения экспертных систем, математического моделирования.

Научная новизна. Полученных в работе результатов заключается в следующем:

ш проведён синтез структурно-функциональной схемы гибридной САПР с выделением алгоритмической и интеллектуальной компоненты класса экспертная система, ■ в качестве инструментального средства разработки используется среда логического программирования Пролог 4.0, что на практике доказывает возможность применения языков искусственного интеллекта в качестве инструмента программирования инженерно-технических задач проектирования;

■ разработана математическая модель функционирования объекта автоматизированного проектирования;

■ разработан алгоритм построения и оптимизации базы знаний для экспертной компонента гибридной САПР,

■ разработана методика тестирования базы знаний экспертной компоненты гибридной САПР.

Практическая ценность работы заключается в создании прототипа однородной программной среды для гибридной системы автоматизированного проектирования нового объекта. Па «»ш,™. , выносятся:

■ модельное представление объекта проектирования в виде графи____ _ ^ _ ______^ ____„ ^__________________________________£_______ __ _ __ ___ _ _____

4ССЖОГО ОийСапИл фумКЦИОНИрОБЫНйЯ ¿и 11 ОрМГММЧССКОИ КОМ1хиКсК~

ты ГСАПР;

■ структурно-функциональная схема объекта проектирования,

■ структурно-функциональная схема ГСАПР, решающая задачи автоматизации начальных этапов проектирования объекта (техническое задание, технические предложения, определение структуры

™ укрупненный алгоритм функционирования г С/Лиг; Я алгоритм построения и оптимизации базы знаний ГСАПР.

графическое и символическое представление базы знаний ГСАПР,

графическое представление пользовательского инт^р^йса;

г глава. Обзор состояния и тенденции развития систем автоматизированного проектирования 1.1. <Л)щие положения.

Комплексная автоматизация производства объективно на первый план выдвигала и задачи автоматизации проектно-

консгруктирских раоот, которые являются лаиоолсс у^ким местом в технической подготовке производства из=за низкого уровня производительности труда проектировщика в среднем, значительных стоимостных и временных затрат на выпуск проектно-конетрукторской документации. Простое привлечение дополнительных трудовых ресурсов в сферу проект-но-конструкторских работ не даёт существенного эффекта в повышении производительности труда [9, 67]. К тому же таких ресурсов всегда не хватало как в качественном, так и в количественном отношении. Путь один -автоматизация инженерной деятельности на основе использования средств вычислительной техники (ВТ).

Автоматизация проектных работ началась практически одновременно и использованием нерьхлх компьютеров |61| и развивалась почли синхронно с их совершенствованием, с разработкой новых систем программирования. С самого начала возникновение этой проблемы стоял извечные вопрос, \\4iu ашиматизиривсив и как ав±омашоироваАъг» /тииализ

процесса разработки систем автоматизированного проектирования (САПР) в ретроспективе и с точки зрения «как автоматизировать?» позволяет выделить . , , , , . , которую можно определить как «автоматизированное проектирование - это тоже самое проектирование, только автоматизированное».

Такое мнение было достаточно живуче и приводило к планированию и отчётности работ по автоматизации по объёму проводимых расчётов или выполненных чертежей, приведённых к наименьшему формату [24].

Такой подход к проблеме академик В.М. Тлушков образно определил как «попытку приделать реактивный двигатель к телеге» [13].

Действительно, организационные и технические начала всего цикла проектно-конструкторских работ при традиционном проектировании не могут соответствовать реальным требованиям при подходе к этим процессам с точки зрения их автоматизации.

Автоматизированное проектирование - это новый вид проектирования, который по своим методическим, организационным, техническим и информационным аспектам в корне отличается от обычного проектирования. Изменяются методы выработки, принятия и утверждешш решений {24,56|, поиск требуемой информации и порядок её обработки, изменяется не только вид документирующей информации и способы её хранения, но и собственно документооборот, изменяется представление о про-

г.___ .. - . г _ . - . _ __________

само существо проектно-конструктореких работ. В конечном итоге вы-кристализовакось понимание, что предметом автоматизации должен быть собственно процесс проектирования, который, конечно, должен иметь особенности, будучи реализованным для конкретных объектов и в условиях конкретного производства.

х.^. 1гроцесс проектирования и конструирования и проблема его автоматизации.

Строго разделить проектирование и конструирование не представляется возможным [56,84]. Такое деление можно осуществить достаточно условно. Например, к проектированию можно отнести поиск принципиального решения для выполнения изделием требуемых функций, определение структуры и структурных параметров, проверку решений расчётами. К конструированию можно отнести определение геометрических форм входящих в изделие элементов и соотнесение их друг с другом. В блок-схеме технологии процесса проектирования (рис. 1) иллюстрируется, как осуществляется на пк«^.ке проектирование и конструирование изделий. Из него видно, что конечной задачей проектирования и конструирования является разработка документации, необходимой для мон-

тажа, испытания и эксплуатации, создаваемой конструкции. Документация, получаемая з результате проектирования и конструирования, носит единое название - проект. Порядок проектирования изделий включает в себя несколько укрупнённых этапов [26,93].

н Разработка технического задания (ТЗ). а Разработка технических предложений.

^0КИ-5гг0с ирООКТИрОваНИС.

гТЗГОХОВлСН.г1С ОПЫТНОГО ООрс1,зи,а.

- йспытапие опытного изделия.

Суть процесса проектирования, в общем случае, сводится к выбору 1 ^ ^ [ьного варианта из спроектированного множества вариантов согласно ТЗ на проектирование. Хота задача на проектирование проекти-щ ; „„ ^ ~ з«*^ насколько полно спроектированное изде-

лие отвечает требованиям, 13 может отвечатв только проектировщик. Это связано с тем, что:

— ю не может однозначно определить оудущее изделие, ¿.с. ьссгдн есть возможность варьировать теми или иными его . геристи-ками, что может повлечь за собой уточнение или изменение пунктов ТЗ [53,56].

■ Заранее неизвестны пути синтеза изделия [18,53], что приводит к интерактивному процессу проектирования, на каждом этапе кото. • • . , ■ , , . " и

принимает решение о путях продолжения синтеза изделия (рис.1), т.е. преобразует более абстрактное описание в менее абстрактное.

■ число различных факторов, треоовании и играниченин, учитываемых при проектировании, изменяется в зависимости от оилас-

тм ирймсйсймл и. дру! пл. присл1иру смо! и йч>д^1йл.

в

могут приводить к противоречиям и к необходимости компромиссного решения, при этом проектировщику необходимо производить отбор одного из возможных вариантов решения. Всё ниже перечисленное приводит к необходимости использования итеративного процесса проектирования, на каждом шаге которого _ чивается объём информации о проектируемом изделии, на основании которой проектировщик оценивает варианты и принимает решение о на= правлении проектирования. По существу это не что иное, как модель при= нятия решения с адаптацией и обучением [48]. В общем случае процесс проектирования является творческой деятельностью, включающей различные методы решения задач и различные формы знаний. Научные представления « деятельности до сих пор недостаточны, не-

смотря на наличие опредо-^ш^ ^^ледований о процессах получения технических решений и используемых для этого эвристиках. Хотя общая методология проектирования не создана, её решения кажется за-

кономерной особенно в условиях автоматизированного проектирования,

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Юдин, Михаил Юрьевич, 1999 год

СПИСОК НЯИЗМвТНОВ I (

! !

••• I I

I От, ! I (

рис 4.

Осуществив ввод параметров проекта, работа этой функции

интерфейса прекращается.

Функция Projects Open. Вызов этой функции осуществляется при помощи операции с пунктом главного меню Projects и пунктом подменю Open. На рис.5 они выделены жирными буквами.

Projects DBase Print About Help

New

Open

Delete

Deieie All

1 .Ail

рис 5.

Действия с пунктами полвзователвского интерфейса приводят к вызову функции получения полного пути (адреса) файла хранения данных

проекта (файлы с расширением Узрг.). Выоор такого файла проекта показан на рис 6.

Выбор файла

С

файла

\spr

К

Ok

Cancel

Help

диск

диск С

1 и

рис. 6.

Функция Projects Delete. Вызов этой функции осуществляется при помощи операции с пунктом главного меню Projects и пунктом подменю Delete. Ка рис.7 они выделены жирными буквами.

projects 1 DBase | i Print 1 дЬош I 1 1 i i Help 1 | i

New

Open

Delete

jjeiele Aii

h/xil

рии / .

действия с нункхами пользовательского интерфейса ххриводят к

вызову функция удаления выоранного пользователем файла данных

проекта. Выбор файла для удаления осуществляется также как и выбор файла для чтения (см. рис б). После выбора файла производится запрос на удаление файла из системы (рис. 7.). При положительном ответе на запрос файл удаляется.

................системы X

Вьт действительно ~т----------1 ° Ок Cancel •

рис.8.

Функции Рг<уее1§_ВеМе_АН, Вызов этой функции осуществляется при помощи операции с пунктом тлавното меню Вго)ес18 и пунктом

подменю jJcieie .Ал. ■ ш рис.у ини выделены жирными оуквлми.

prnjaptS DBase Print About ! Help | t

New

Open

Delete

Delete All

J .All

рис у .

действия с пунктами иОлв^поачСлоско! о интерфейса приъодят к вызов у функции удаления всех фсшиилэ данных проскхн. Производится

запрос на удаление файлов из системы (рис. 10.). При положительном ответе на запрос файлы удаляются.

П^.с-_________________________IV!

PZIlZI

Вы действительно хотите этот файл? _

Пн^П

рис.10.

Функция Frojects_£xit. Вызов этой функции осуществляется при помощи операции с пунктом главного меню Projects и пунктом подменю Exit.

1 щ рИС.

11 ини выделены жирными оукьами.

Projects DBase Print i Abolit Help I i

New

Open

Delete

Delete Ali

HiAlt

рис 1 I .

Действия с пункщми подъзова1ельско1 о интерфейса приводят к вызову функции выхода из ГСАПР. Выход сопровождается сообщением системы о выходе (,рис. ■ /.

! 14/

Сообщение системы

Конец работы системы

г ВГ|

рие. iZ.

Функция DBase_View. Вызов этой функции осуществляется при помощи операции с пунктом главного меню DBase и пунктом подменю View. На рис.13 они выделены жирными буквами.

DBase Projects I Print i Help

View

Add

Delete

рис 13.

Действия с пунктами пользовательского интерфейса приводят к вызову функции просмотра содержимого БД ГСАПР <<Океан 1.О.». Действие такой функции просмотра содержимого БД показано на рис. 14.

Присмотр содержимого ЬД

данные т>д

J

Ок

Cancel

рис 14.

уРуНКЦйМ LFuaav, ; хЗЫЗОВ ЭТОЙ фуНКЦИИ ОСУЩСС ТВЛЯС1 СЛ ПрИ

помощи операции е пунктом главного меню DBase и пунктом подменю Add. Ка рис. 15 они выделены жирными буквами.

DBase Projects Print About Help

View

Add

Delete

рис 15.

Действия с пунктами пользовательского интерфейса приводят к вызову функции ввода новых данных в БД (параметров генератора).

Действие такой функции просмотра содержимого БД показано на рис. 16. _______

| 1 Д ирит V 1 ^ии 1 Ъ^И Ч/^и! С/ри

Ок '

Сообщение о данных ввода ....

\_ Сапее1 '

Окно ввода

рис. 16.

Такое окно вызывается два раза. При первом вызове вводят мощность генератора, при втором - число оборотов ротора генератора.

х

Функций ВВже_ Delete. Вызов этой функции осуществляется при помощи операции с пунктом главного меню DBase и пунктом подменю Delete. На рис. 1 / они выделены жирными оуквами.

DBase Projects Print About Help

View

Add

Delete

рис 17.

Действия с пунюами полвзова!слвскох о ини^ч-юиса приводят в первую очередв к вызову функции просмотра данных в ^параметров генератора;, действие такой функции просмотра содержимо! о показано на рис. 13. После нажатия кнопки Ок производиться запрос на удаление данных из г>д ^рис то), о случае полояеихельноги ответа выирапиые данные удаляются из вд.

Функция Print. Вызов этой функции осуществляется при помощи операции с пунктом главного меню Print. На рис. 18 он выделен жирными буквами.

DBase Projects Print About Help

Действия с этим пунктам пользоватедвского инте^ч ^ v« приводит к вызову функции выбора файла данных проекта (рис. 6). После выбора файла производится вывод полученных дымных нн печать.

Функции Äbout^Siiort и Äbouy_LoKg. Эти две функции пользовательского интерфейса выполняют практически одну и туже задачу, ыри вызове эти функции пользователю предоставляется информация о ГСАПР «Океан i.D.». разница заключается в том, что первая функция предоставляет краткую информацию о системе, а вторая -подробное сообщение. Вызов этих функций осуществляется при помощи операции с пунктом главного меню DBase и пунктом подменю Delete. На рис. 19 иНи выделены жирными ОукьамИ.

4 hnilt Protects Print jjR^se Hein

short

Long

рИС х /.

Действия с пунктами пользовательского интерфейса приводя! к вызову функции вывода информации о системе. Действие такой функции

вывода информации о системе показано на рис. zu.

Информация о системе

Информация о системе

I V/I4

20.

1-^1 • |>/\1

UUiUU^

данных. В ходе работы программного обеспечения ГСАПР

полученные результаты будут выводиться в окна полвзовашлвского

ишерфсиссц преде 1сшленные Hit рие z. i.

Ж

Ьыаод данных.

I ^апиш

■ ! n ext | I_I

iieip

рии. z. 1.

Кнопка Cancel генерирует аварийный конец просмотра и удал

ТТЙШуГР

¿<к©шса Next генерирует переход к 1фосмотру следующего олока

Кнопка Kelp генерирует вызов справки о работе с окном данных. Работа с интерфейсом системы обработки знаний (СОЗ) ГСАПР. Диалог пользователя и СОЗ с целью получения какого-либо вывода

сводится в силу специфики языка Тхрохраммирования PCAiiF и основных

положений законов логики к двоичному (бинарному) диалогу. Это означает, что запросах СОЗ содержат полную информацию о сути решаемой задачи и пользователь должен либо согласиться (ответ Да), либо отвергнуть (ответ Кет) предложенный СОЗ запрос. Графическое представление двоичного диалога показано на рис. 22.

Диалог с СОЗ. _________

С I . __

Да е I Мет | |

« I 1

рИи.^Д.