ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НА НАЧАЛЬНЫХ ЭТАПАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НА НАЧАЛЬНЫХ ЭТАПАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  

С.Л. Козенко, Н.С. Бурмистрова

Россия, Санкт-Петербург, Университет аэрокосмического приборостроения

Начальные этапы проектирования изделия включают обоснование необходимости его разработки, согласование технического задания на проектирование, разработку технического предложения (аванпроекта), разработку эскизного проекта [1].

Особенностью указанных этапов является то, что они плохо поддаются формализации и поэтому до настоящего времени почти не автоматизированы  в отличие от этапов рабочего проектирования, особенно этапа конструкторско-технологической подготовки производства, и  осуществляются почти вручную специалистами в области управления, планирования и проектирования, от которых, кроме всего прочего, требуется достаточно высокая квалификация. Действительно, широко рекламируемые в настоящее время тяжелые, средние и легкие САПР, такие как PRO-Engineer, UNIGRAPHICS, SIMATRON, ADEM, ACAD, КОМПАС и другие средства интегрированных технологий или CALS-технологий достаточно успешно работают только начиная с этапа рабочего проектирования, а соответствующие инструменты САПР начальных этапов носят разрозненный характер и направлены в основном на решение задач моделирования (например, Labview), математической поддержки анализа, начальных расчетов (например, MathCad, MathLab).

В представленной работе приводятся результаты, полученные авторами по созданию инструментов автоматизации проектирования на этапах согласования технического задания, технического предложения и  эскизного проекта в процессе разработки САПР изделий приборостроения и машиностроения. В основу  создания таких средств САПР положена концепция САПР как инструментария проектировщика (разработчика, конструктора,  технолога,  испытателя). Исходным является положение о том, что каждое из проектных предприятий имеет свои традиции, высококвалифицированные кадры, имеющие богатый опыт разрешения ситуаций, возникающих в процессе проектирования. Задача состоит в том, чтобы  формализовать этот опыт.  Последнее обстоятельство требует привлечения нетрадиционных средств и методов формализации для задач  автоматизации.

Основные принципы, вытекающие из этой концепции, следующие:

*         стратегия разработки и внедрения отдельных подсистем САПР должна строиться по принципу “инструмент за инструментом”, не дожидаясь того весьма отдаленного момента, когда САПР будет полностью создана и внедрена “сверху”;

*         каждый из инструментов САПР должен занять свое место в интегрированной системе автоматизации проектирования и производства (CALS-технологии);

*         должен существовать интерфейс каждого инструмента САПР с системами управления производственной информацией, технологической подготовки производства и др. (PDM, CAM, CAE, CIS);

*         многоязычность в инструментах САПР в соответствии с естественными языками и диалектами проектировщиков в их предметной области должна являться одним из условий того, что создаются инструменты под проектировщика, а не наоборот;

*         интеллектуальность и адаптируемость инструментов САПР должны являться их неотъемлемыми свойствами;

*        логика и интуиция проектировщика в сочетании с элементами теории нечетких множеств, а также аналитические преобразования на ЭВМ, должны являться средствами повышения интеллектуальности инструментов САПР.

Наиболее ответственным из начальных этапов проектирования и наименее автоматизированным на сегодняшний момент является этап согласования технического задания. Авторами предлагается подход к разработке подсистемы САПР, позволяющий в значительной степени сократить длительность этого этапа и повысить его эффективность за счет автоматизации наиболее трудоемких процедур: процедуры поиска аналога объекта проектирования (ОП), процедуры оценки реализуемости технического задания (ТЗ) и процедуры выбора предпочтительного варианта организации процесса проектирования (ПП). В основу математического обеспечения разработанной подсистемы положен принцип единого формализованного описания  процесса проектирования,  объекта проектирования и процесса принятия решений.

 В качестве моделей представления знаний в работе предлагается комбинированная модель, использующая различные формализмы представления знаний на основе единого формализованного представления декларативных и процедурных знаний - формализма представления отношений и работы с ними.

Для  работы с базами знаний предложен способ организации базы знаний (БЗ), базирующийся на раздельном использовании базы экстенсиональных знаний (БЭЗ) и базы интенсиональных знаний (БИЗ) и ориентированный на систему программирования (СП) ПРОЛОГ, что позволяет обрабатывать БЗ больших объемов, предотвращая “комбинаторный взрыв”.

В работе предлагается осуществлять автоматизацию этапа согласования ТЗ посредством использования специализированной системы  поддержки принятия  решений (СППР),  являющейся подсистемой интегрированной САПР предприятия и назначение которой состоит в следующем: производить экспресс-оценку реализуемости ТЗ с учетом ресурсов, имеющихся на предприятии, предлагать пользователю варианты возможных изменений в структуре ПП  или требований ТЗ в случае,  когда имеющихся ресурсов недостаточно для выполнения требований ТЗ по стоимости или срокам проектирования.

В самом общем виде любая реализация СППР содержит две основные  составляющие:  информационную  модель (ИМ) и модель принятия решений (МПР). Исходя из задач, которые предполагается решать с помощью СППР,  в состав ИМ должны входить следующие компоненты:  формализованное представление обсуждаемого варианта  ТЗ (модель ТЗ - MТЗ),  формализованное представление объектов - аналогов (модель аналога - MА), формализованное представление ресурсов  предприятия (модель ресурса - Mрес),  формализованное представление типового процесса проектирования (модель процесса  - MПП). МПР должна включать в себя формализованное описание МППА процедуры поиска объектов - аналогов (ППА) и формализованное описание (МПОР) процедуры экспресс-оценки  реализуемости решения (ПОР) силами конкретного проектного предприятия. Результатом работы ППА будет определение изменяемой и неизменяемой частей ТЗ.  С учетом этих результатов,  с помощью ПОР,  производится предварительная оценка затрат на реализацию данного ТЗ. При этом выявляются “конфликтные”  ситуации,  то  есть  ситуации, связанные с выполнением тех пунктов ТЗ,  по которым нет готового решения. В этом случае  возникает необходимость  предусмотреть  возможность выбора варианта разрешения конфликтной ситуации, в частности, путем изменения структуры типового ПП. При этом окончательный выбор наиболее предпочтительного варианта ПП осуществляется с помощью имитационной модели (ИМ).

Таким образом, задача синтеза модели принятия решений может быть сформулирована как задача образования на направленно выбранном подмножестве структурных элементов информационной модели

IM = < MТЗ , МА , MПП , Mрес >

и модели принятия решений

SP = < МППА , MПОР >

некоторой специальной структуры - ситуационного модуля -

                                               Gi

                                     SUM  =  IM * SP

с закрепленными, в соответствии с целью Gi ,  пространственно-временными связями между элементами. Данная структура активна по определению: она возникает для достижения определенного результата, который является системообразующим фактором, и перестает существовать при его достижении. Системообразующим фактором для создания SUM является задача оценки реализуемости ТЗ и определения “конфликтных ситуаций”, связанных с необходимостью принятия компромиссных решений, сочетающих в себе требования Заказчика и возможности Исполнителя.

 Исходя из структуры и назначения СППР, основными задачами, которые необходимо решить при ее проектировании, являются следующие:  формализация описания ОП, ресурсов предприятия и процесса проектирования,  формализация процедуры поиска аналога ОП и процедуры экспресс-оценки реализуемости ТЗ.

Разработаны модели представления декларативных знаний для ИМ, то есть модели MТЗ , МА , MПП   и   Mрес  в виде семантической сети специального вида - семантического графа (СГ).

Для построения семантических графов и работы с ними в рассмотрение вводятся  три типа отношений: интенсиональные отношения - отношения, описывающие  предметную область на уровне общих фактов и  закономерностей (например, формализованное перечисление параметров,  описывающих объект проектирования (ОП):  точность, быстродействие и т.п.);  экстенсиональные отношения - отношения, описывающие предметную  область на уровне данных (значений,  которые эти параметры могут принимать).  Кроме того,  вводится в рассмотрение третий тип отношений - семантические отношения,  которые увязывают первые два в рамках конкретной модели в соответствии со следующим правилом

Для любых ak и ai, принадлежащих M, существует rij = < Pi,  Rj >  из чего следует, что (ak,ai) принадлежат Rj. В этом случае Pi(ak,ai)=1.

Введение  третьего типа отношений позволяет автоматизировать процедуру синтеза модели под решаемую задачу (модуль SUM).

Таким образом,  каждую из составляющих  информационной модели можно представить в виде

Sm = < Mm , Pm  >          ,                          (1)

где Mm  -  носитель модели,  представляющий собой совокупность понятий, используемых для описания предметной области (объекта проектирования, процесса проектирования или ресурсов предприятия);  Pm - сигнатура,  представляющая собой множество интенсиональных отношений, заданных на  Mm . Отображение в модели Sm конкретного  варианта  компоненты ИМ приводит к рассмотрению некоторой реализации модели Sm, определяемой как 

Re(i)Sm = < M(i)m , r(i)m >         ,                (2)

где M(i)m - множество понятий,  используемых для описания i - го варианта компоненты ИМ;  r(i)m- множество семантических отношений, устанавливаемых на  M(i)m .

Поставив в соответствие каждому из отношений совокупность знаний, описывающих это отношение, и задав формально структуру сети, получим процедуру, позволяющую на всем множестве отношений {Pj} , описывающих предметную область,  производить целенаправленный выбор совокупности отношений {rij} под  решаемую задачу. Формирование модели осуществляется с использованием следующего важного свойства СГ. Если описание предметной области задается посредством определения множества интенсиональных отношений {Pj}, имеющих место между понятиями, описывающими эту предметную область, то его можно представить некоторым семантическим графом SG’.  Этот граф  имеет  вершины  следующих  типов: функциональные (F), объектные (M), признаковые (П), именные (N) и предикатные (P). Каждой предикатной вершине приписывается имя n - местного  интенсионального отношения Pj(x1...xn), задающего связь между соответствующими вершинами остальных типов. Каждой формуле исчисления предикатов первого порядка,  имеющей вид конъюнкции литералов,  можно поставить в соответствие некоторый СГ,  и, напротив, каждому СГ соответствует формула указанного вида, истинная тогда и только тогда, когда выполняются все отношения, определенные на данном СГ, то есть тогда, когда истинны все Pj(x1...xn), определенные на функциональных,  объектных и признаковых вершинах.

Использование данного подхода к построению ИМ позволяет условно разбить базу знаний СППР на собственно базу знаний (БЗ), где знания о предметной области проектирования хранятся в виде (1) и базу данных (БД). В  этом случае процедуру поиска знаний, релевантных решаемой задаче можно рассматривать как двухэтапный процесс.

На первом  этапе из БЗ производится выбор нужной совокупности интенсиональных отношений в соответствии с решаемой задачей, то есть формируется модель  Sm .  Далее, с  помощью специальной процедуры совмещения из БД  производится выбор нужных данных. В результате получаем реализацию  Re(i)Sm  модели  Sm вида (2).

Указанный подход к организации знаний  позволит обрабатывать  БЗ  больших объемов, предотвращая “комбинаторный взрыв”, так как все манипуляции со знаниями производятся на интенсиональном уровне с вызовом по необходимости нужных фактов из базы данных. Таким образом,  в оперативной памяти единовременно присутствует лишь то описание объекта,  по которому  требуется найти в БД данные, “подходящие” под это описание.

Кроме этого, использование предлагаемого подхода к построению модели представления знаний позволило достаточно эффективно организовать процедуру поиска аналога проектируемого объекта.

 В основу формализации данных процедуры поиска аналога (ППА)  положен тот же принцип,  что и используемый при построении модели декларативных знаний. Каждый ОП характеризуется определенной совокупностью элементов (структурой) и совокупностью параметров (технических характеристик). Исходя из этого, работу ППА можно представить в виде следующих этапов:

- определение степени близости по структуре между ОП и  хранимыми в БЗ аналогичными разработками;

- определение степени близости по значениям технических  характеристик;

- ранжирование аналогов по степеням близости и выделение наиболее близких к ОП;

Формально задача поиска аналога может быть сформулирована в следующем виде

Qm(i) = < Re(i)S^m , Re(i)Sтз , P ( Re(i)S^m , Re(i)Sтз ) >     , (3)

где Re(i)S^m - реализация МПЗ об объекте, претендующем на роль “аналога” ; Re(i)Sтз - реализация МПЗ об ОП в соответствии с требованиями ТЗ, Qm(i) - ситуация,  фиксирующая результат работы ППА; P(...) - предикат,  по значению которого оценивается результат:  P=1 - “аналог обнаружен”;  P=0 - “аналог не обнаружен”, то есть ситуация определяется как “конфликтная”.

Таким образом, указанный предикат является целеполагающим фактором для синтеза модели принятия решений (МПР), и в соответствии с  заложенными в нее правилами производится выбор варианта разрешения “конфликта”. При этом выбор варианта решения идет в двух направлениях: первое  -  смена объекта,  претендующего на роль “аналога” в целом,  второе - поиск “фрагментов” объектов, которые могут быть использованы при проектировании заданного объекта. 

Во втором случае встает задача определения объекта, наиболее близкого, с точки зрения определенного критерия, к ОП. В работе в качестве такого критерия используется критерий минимума трудоемкости, то есть за аналог ОП принимается тот претендент, который обеспечивает наименьшую трудоемкость проектирования несовпадающих узлов или элементов.

Как следует из (3), основной задачей ППА является “сравнение” описаний (моделей) объектов, хранящихся в БЗ (Re(i)S^m) и описания  (модели)  объекта  проектирования,  заданного  в  ТЗ (Re(i)Sтз). Так как обе эти модели представляются в виде СГ, то задачу  поиска  аналога  можно  сформулировать как задачу распознавания на множестве структур (семантических  графов) семантического  графа, сходного с заданным. Поскольку ситуация наличия полного аналога крайне редка и не представляет сложности для реализации ПП, а в БЗ может храниться несколько претендентов на аналог, в различной степени отличающихся от ОП, необходимо осуществить поиск наиболее подходящего варианта.

В работе задача поиска аналога в случае наличия нескольких претендентов решается с использованием элементов теории нечетких множеств, в частности, с использованием такой характеристики как функция принадлежности. В качестве функции принадлежности mu используется pi-функция mu(x)=pi(x,lambda,x’), что позволило организовать ее компактное хранение в  памяти ЭВМ. Кроме того, заданием значений параметров lamda и x’ для каждого из сравниваемых параметров, учитывается “вес” этого параметра при определении степени аналогичности объекта-претендента и ОП. Под степенью аналогичности j-го объекта по i-му параметру xij понимается значение функции принадлежности следующего вида

rij(xij / xij_тз) = pi(xij , lambdaij_тз ,xij_тз)  .

Учитывая тот факт, что rij принадлежит [0,1] и, кроме того, “вес” каждого из параметров учтен заданием lambda соответствующей функции принадлежности, мерой аналогичности j-го объекта по всем параметрам может служить следующая величина  

               1          n

r^j  =    ___        Summa rij

                n         i=1

Таким образом, если ввести в рассмотрение лингвистическую переменную beta_a - “аналог объекта” с базовыми значениями alfa1 - “аналог” и alfa2 - “не аналог”, то для определения аналога можно сформулировать следующую систему нечетких высказываний

< ЕСЛИ  Dj , ТО  beta_ai  есть  alfa1 >

< ЕСЛИ  НЕ  Dj , ТО  beta_ai  есть  alfa2 >

где Dj - четкое высказывание вида < r^j есть R > ,

R = max{r^j}.

Если поочередно исключать объекты, для которых  beta_ai  есть  alfa1 , и рассматривать оставшиеся, то получим ранжированный ряд объектов, которые могут быть использованы как аналоги ОП. Полученные значения rij и rj используются в качестве составляющих весов признаковых и объектных вершин соответствующих СГ.

В работе также произведена формализация процедуры оценки реализуемости ТЗ силами конкретного предприятия в виде дискретной ситуационной сети, позволяющей автоматизировать синтез различных вариантов организации ПП а также разработана процедура многокритериального выбора предпочтительных вариантов организации ПП, в основу которой положен алгоритм получения группового предпочтения по индивидуальным оценкам. Для реализации этого алгоритма использованы элементы теории графов, в частности, метод отыскания ядер графа.

Таким образом, предложена структура и определены задачи системы поддержки принятия решений (СППР), основной функцией которой является помощь проектировщику в принятии решений по оценке реализуемости ТЗ силами конкретного предприятия. 

Инструменты проектировщика для последующих из начальных этапов проектирования включают подсистемы САПР “Построение математических моделей”, “Анализ”, “Синтез”, “Обработка”. Эти системы строятся на основе пакета аналитических преобразований, реализующих следующие операции: хранение аналитических выражений с помощью схемной символики Канторовича; создание, уничтожение, модификация элементов схемной символики, поиск общих подвыражений с помощью хеширования; аналитическое дифференцирование; упрощение выражений; матричные операции; выполнение подстановок; выполнение преобразований на основе принципа сравнимости. В частности, подсистема “Построение математических моделей” использует пакет аналитических преобразований для построения в аналитическом виде уравнений движения механических и электромеханических изделий по исходным кинематическим и электрическим схемам. При этом на ЭВМ выполняются в аналитическом виде все операции в соответствии с уравнением Лагранжа II рода, а также приведение к форме Каши, упрощение, линеаризация, представление уравнений в матричной форме.