автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Моделирование, структурный анализ и синтез технических систем с целью повышения их эффективности

На правах рукописи

Тясто Сергей Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ, СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (технические системы)

3 МАП 1Ш

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012 г

005016587

Работа выполнена в ФБГОУ ВГГО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Симанженков Константин Александрович, кандидат технических наук, доцент.

Драчев Олег Иванович, доктор технических наук, профессор, ГОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», профессор кафедры «Оборудование и технологии машиностроительного производства»

Корьячев Анатолий Николаевич, кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «МГОУ имени B.C. Черномырдина», доцент кафедры «Теоретические основы технологии машиностроения»

ГОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики»

Защита состоится «'/ /»

2012 г. ъ/?*0

часов на

заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФБГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу: 127055, Москва, Вадковский переулок, д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБГОУ ВПО Московского государственного технологического университета «СТАНКИН».

Автореферат разослан « /3 » 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доц.

СемячковаЕ.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие рыночных отношений в стране сформулировало задачи по созданию и внедрению новых технологий и автоматизированных производств с использованием средств вычислительной техники и других средств автоматизации.

Ведущие организации отраслей хозяйства страны поставили задачи интенсификации внедрения новых технологий для достижения требуемых экономических показателей производства. В настоящее время ведутся работы по созданию производственных систем более высокого уровня -интегрированных машиностроительных автоматизированных

производственных систем (ПС), включающих в себя все этапы проектирования и изготовления изделий машиностроения. Одной из важнейших частей автоматизированной ПС является комплекс программно-технических средств, составляющий основу подсистемы автоматизированного проектирования, а также подсистемы управления автоматизированным производством. Объединение этих систем будем называть технической системой (ТС). Проектирование программно-технического обеспечения под комплекс задач является принципиальным отличием идеологии автоматизированных ТС от существовавших ранее подходов к проектированию автоматизированных производств. Для воплощения данного подхода требуются глубокие знания как в областях технологии, конструирования, теории информации, вычислительной техники, программирования, математики и т.д., так и взаимосвязи друг с другом. Более того, в виду сложности взаимосвязей подсистем ПС, обособленная разработка программного обеспечения, технологического оборудования, аппаратного обеспечения, средств диагностики и контроля и т.д., принципиально невозможна и крайне неэффективна.

Сложность взаимосвязей подсистем и многообразие функций определяет сложность структуры ТС, которая должна являться предметом исследования на ранних этапах проектирования. Вследствие недостаточного анализа функциональной структуры проектируемой системы, на этапах изготовления

появляется большое количество неопределенных связей между программными модулями, аппаратными средствами, техническим оборудованием и другими компонентами. Это приводит к необходимости добавления новых функций в программное обеспечение, закупке дополнительного оборудования и другим трудозатратам. Для того, чтобы избежать незапланированных затрат на разработку необходимо создать комплекс методов анализа и синтеза структур проектируемых систем, позволяющих формировать гипотетическую структуру системы, генерировать и формально оценивать новые структурные предположения, прослеживать изменения в поведении системы при изменении структуры, а также согласовывать различные уровни описания подсистем.

Целью данной работы является повышение эффективности технических систем на основе их моделирования, структурного анализа и синтеза.

Научная новизна работы заключается в:

1. выявлении взаимозависимостей между структурами проектных решений на этапах разработки программно-технических компонент технических систем;

2. моделях генерации структурных предположений;

3. моделях описания поведения системы и оценки структур;

4. алгоритмах, позволяющих эффективно проводить формальную оценку отличия требуемого поведения системы от поведения, соответствующего предлагаемой структуре.

Практическая ценность работы заключается в разработке инструментальных средств формирования начальной структуры и поведения системы, генерации и оценки структур проектируемой системы, формирования спецификации проектируемой системы.

Реализация работы. Разработанные модели и алгоритмы использованы в технико-экономическом обосновании создания технических систем для ОАО «Калугатрансмаш».

Апробация работы. Результаты работы докладывались на заседаниях кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления»

МГТУ «Станкин», на восьмой всероссийской научно-технической конференции 26 февраля 2010г., Вологда, ВоГТУ, на XIII научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН" по математическому моделированию и информатике, МГТУ «Станкин», 12-14 мая 2010г., на III научно-образовательной конференции Машиностроение - традиции и инновации (МТИ-2010), секция «Автоматизация и информационные технологии», ноябрь-декабрь 2010 г., МГТУ «Станкин».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы из 157 наименований, изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка, 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В главе анализируются потребности в автоматизации этапов предварительного проектирования систем автоматизации, основные черты ее реализации, с учетом особенностей систем автоматизированного проектирования. Дана характеристика основных действий проектировщика при формировании структуры проектируемой системы, а также связанных с этим особенностей в процессе проектирования. Рассмотрен ряд существующих методов определения оптимальной структуры, описания систем. Различают следующие подходы к решению задач структурного синтеза: перебор вариантов структур, последовательный синтез вариантов структур, выделение варианта из обобщенной структуры, использование эвристических приемов, сведение к задаче дискретного математического программирования и использование специфических особенностей предметной области. Однако, на практике используются комбинации этих подходов, и процесс синтеза структуры

системы может включать и элементы перебора, и последовательного синтеза, и эвристики, отражающие специфику предметной области. При разработке подсистем проектируемой системы одной из первоочередных задач является идентификация начальной структуры и множества методов и алгоритмов, реализация которых позволит решать поставленные перед проектируемой системой задачи. Однако, для решения каждой из задач, как правило, могут быть использованы различные методы и алгоритмы и их всевозможные комбинации. Возможность их использования можно характеризовать различными параметрами, отражающими трудоемкость, точность и другие показатели, кроме того необходимо убедиться в возможности их совместного использования, что в немалой мере определяется функциональной структурой системы на предметном уровне. Выбранные для реализации методы должны поддерживать отношения, установленные на множестве задач, стоящих перед проектируемой системой. Далее, с учетом структуры подсистемы, формируется множество возможных реализаций подсистемы на уровне методов. Функциональная зависимость задач, решаемых подсистемой, определяется проектировщиком, и в соответствии с этой функциональной зависимостью устанавливаются приоритеты в использовании тех или иных методов решения предметных задач. Следующим этапом процесса проектирования является переход от комплекса методов решения предметных задач к требованиям к программному обеспечению, необходимому для их реализации, и средствам их реализации. Как правило, для большинства задач и выбранных методов существуют готовые прикладные программные системы, однако для комплексного использования необходима их существенная доработка по согласованию входных и выходных данных, управлению процессом и другим характеристикам. На этом этапе процесса проектирования уточняется структура системы, определяются требования к программному обеспечению, необходимому для решения поставленных задач, выбираются программные средства, удовлетворяющие этим требованиям, определяются требования к их

комплексному использованию и требования к программным средствам реализации методов, для которых не существует приемлемых реализации.

Исходя из определенного комплекса программных средств, требований к их совместимости и требований к программному обеспечению, необходимому для реализации методов, для которых не определены реализующие их программные средства, определяются требования к общесистемному и базовому программному обеспечению, необходимому для функционирования выбранного программного обеспечения. Технология определения этих требований аналогична технологии предыдущих этапов проектирования. Каждый из набора программных продуктов, определенного на предыдущем этапе, реализован в определенной операционной среде, может использовать стандартные библиотеки, трансляторы, пакеты, реализующие графические стандарты и т.д. Используя критерии единства операционной среды для функционирования программных средств, переносимости программных средств, наличия инструментальных средств адаптации программных продуктов и т.д., определяются требования к базовому и общесистемному программному обеспечению. Аналогично определяются требования к аппаратным средствам, необходимым для функционирования проектируемой системы.

Разграничение двух последних этапов проектирования на отдельные части носит чисто условный характер, т.к. в реальных задачах проектирования удобнее совмещать этапы определения требований к базовому и общесистемному программному обеспечению и к аппаратной поддержке проектируемой системы. Определив эти требования, необходимо перейти непосредственно к выбору конфигурации программно-технического комплекса проектируемой системы. Каждому определенному требованию ставятся в соответствие программно-технические средства, удовлетворяющие этому требованию. Далее, формируется множество конфигураций программно-технического комплекса с указанием возможности использования каждого из них.

Таким образом, в процессе проектирования можно явно выделить задачу поддержки отношений, установленных на предметном уровне, на всех этапах проектирования. Эти отношения могут уточняться в процессе проектирования, агрегироваться или декомпозироваться на этапах определения комплекса программных средств, базового и общесистемного программного обеспечения и средств аппаратной поддержки проектируемой системы. На рисунке 1 иллюстрируется процесс проектирования систем, основу которых составляет программно-технический комплекс.

Анализ вопросов, прямо или косвенно относящихся к исследуемой проблеме, позволил сделать следующие выводы.

1. Структурный синтез относится к наиболее трудноформализуемым задачам проектирования и обычно проводится специалистами высокого уровня вручную без использования математических методов, а полностью полагаясь на интуицию и опыт в создании систем, подобных проектируемой.

2. Разработанные методы и средства структурного моделирования позволяют эффективно проводить анализ топологии структурных представлений системы, а также некоторых аспектов поведения, и в процессе разработки могут применяться только на отдельных этапах проектирования, когда структура системы определена. Они не могут служить средством идентификации структуры и средством поддержки трассируемости различных этапов разработки и отношений между спецификациями проектных решений.

3. Недостатком существующих методов структурного синтеза является отсутствие единой формальной модели системы, позволяющей интегрировано использовать средства генерации и анализа структур, средства описания поведения системы, средства формирования поведения системы с заданной структурой, формальную оценку генерируемых структур и средства формирования спецификаций системы по выбранной структуре.

Предметно-функциональная структура

Методы и алгоритмы

Формирование

поведения

Генерация 4 структур _

(Щ Щ ЩХ *(ШГ ЕР ЕЗ)

Ї

Агоритмическо-функциональная структура

і

Прикладное ПО

Формирование

поведения

Генерация 4 структур _

(Ш Ш Ш)< '(Ш" ЕШ ЕР)

±

Функциональная структура ПО

Базовое и общесистемное ПО

Формирование

поведения

Генерация X структур

г

Функциональная структура Б и ОС ПО

Генерация X структур

Аппаратные средства поддержки

Формирование

поведения

(Ш Ш Ш), '([ПР шп СИ)

Рис. 1. Схема процесса проектирования программно-технических систем

Отсюда целью данной работы является разработка методов и инструментальных средств проектировщика, обеспечивающих возможность синтезировать новые варианты структуры технической системы, формировать спецификации проектируемой системы по выбранной структуре.

Для достижения поставленной цели решались следующие научные задачи.

1. Выявление взаимозависимостей между структурами проектных решений на этапах разработки программно-технических компонент систем обработки информации.

2. Выбор метода формального описания структур проектных решений, обеспечивающих возможность:

идентификации требуемого поведения проектируемой системы; установления отношений между структурами проектных решений на различных этапах разработки.

3. Разработка математических методов генерации структур проектных решений на фиксированном этапе разработки.

Областью приложения выбрана разработанная в российской фирме «Топ системы» техническая система Т-БЬЕХ.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ СТРУКТУРНЫХ ПРЕДПОЛОЖЕНИИ

В главе рассматриваются вопросы, связанные с методом формального представления структур проектируемой системы и методами генерации новых структурных предположений системы.

Пусть V — множество переменных, являющихся компонентами системы. Подмножества V однозначно определяют подсистемы (элементы) рассматриваемой системы.

Определим структуру, в общем виде, как семейство подмножеств множества переменных V:

5 = 5,.сГ(К), \JEs~V, Еа<£ЕЬ, \/Еа,ЕЬе51 (а*Ь)}, ЕаьБ,,

где Т(У) - множество подмножеств множества V.

В терминах гиперграфов V множество вершин, а Еа, ЕЬ - ребра гиперграфа, которым инцидентны соответствующие вершины.

Будем называть V множество переменных входящих в структуру системы, а Еа, ЕЬ элементами структуры. Множество структур 5 характеризуется двумя свойствами:

- каждая переменная входит, по крайней мере, в один из элементов структуры (свойство полноты структуры);

- не существует элемента структуры, полностью входящего в некоторый отличный от него элемент этой же структуры (свойство неизбыточности структуры).

Определим на множестве структур частичный порядок.

Пусть , е Б, тогда S¿ < <=> УЕа е Б^ЕЬ е SJ : Еа с ЕЬ.

В этом случае будем говорить, что 5/ является "уточнением" структуры 5/, и Sj является "агрегатом" структуры Б,.

Если Sj<Sj, то Б, является "непосредственным уточнением" Б/, а Б/ "непосредственным агрегатом" структуры Б^, О 55^ : Б- < Б^ и Б^ < ^ ■.

Множество структур 5 вместе с определенным на нем частичным порядком < образует решетку.

В самом деле, существует универсальная верхняя граница множество V; универсальная нижняя граница - множество { ¡V/}, {т.^},..., ¡V,,}}; для каждой пары структур существует наибольшее общее уточнение и наименьший общий агрегат.

Определим на множестве >5 отображение

где (7 - множество симметричных бинарных отношений определенных на множестве V (множество ненаправленных графов) и г(Б) - бинарное отношение, В котором между переменными V, И ¡7 (/^ у) существует отношение

тогда и только тогда, когда они обе принадлежат, по крайней мере, одному из элементов структуры Si.

Отображение г является отображением "много к одному" и "на", т.е. посредством этого отображения на множестве структур определяются классы эквивалентности. Будем обозначать через S/r множество классов эквивалентности на множестве структур, определенное посредством отображения г.

Каждый класс эквивалентности на множестве S, с определенным на нем частичным порядком, может быть однозначно представлен некоторой канонической структурой. Существует два канонических представителя класса эквивалентности. Первый канонический представитель структура, элементами которой являются только элементы максимальной мощности, соответствующие полным подграфам ненаправленного графа, характеризующего класс эквивалентности. Элементы второго канонического представителя представляют собой либо пары переменных, которые связаны ребром в графе, характеризующим класс эквивалентности, либо подмножества множества V мощности единица, т.е. {Vf}, но только в том случае, если не существует в графе, характеризующем класс эквивалентности, переменной, которая была бы связана с (^ребром.

Первый канонический представитель называется С-структурой или полнопокрывающей структурой. Второй канонический представитель называется Р-структурой, или простейшей структурой. С- и Р-структуры, соответствующие одному классу эквивалентности, поляризуют этот класс эквивалентности, т.е. С-структура является максимальным элементом класса эквивалентности, аР-структура минимальным. и остальные структуры

из этого класса эквивалентности будут между этими каноническими представителями, т.е. если S; принадлежит классу эквивалентности, у которого каноническими представителями являются Q- и Р* структуры, то Р^< S- < Cj_.

На рисунке 2 приведена решетка, определенная на множестве структур для четырех переменных.

Предложенное формальное описание структур позволяет использовать ряд алгоритмов генерации структур, являющихся непосредственными уточнениями или агрегатами начальной структуры. В реальных задачах проектирования, в большинстве своем, начальная структура объекта определяется проектировщиком на основании опыта проектирования и физических закономерностей функционирования систем подобных проектируемой. Обычно проектировщики пользуются, как наиболее общими, графовыми моделями структуры системы. В предложенном подходе к формальному описанию структуры это равнозначно заданию Р-структуры. Естественно, в реальных задачах проектирования, рассмотрение не всех структур из класса простейших будет иметь смысл. Например, структуры из классов эквивалентности, которые характеризуются графами, имеющими более одной компоненты связанности, в данном подходе к формальному описанию структур, могут быть разбиты на подструктуры, количество которых равно количеству компонент связанности в графе, и рассматриваются отдельно.

Генерация новых структурных предположений может проводиться как внутри класса эквивалентности, которому принадлежит так и с переходом в соседние классы эквивалентности.

Генерация в рамках класса эквивалентности может проводиться в двух направлениях, либо декомпозируя элементы структуры, либо агрегируя их.

Генерация структурных предположений, связанная с переходом в соседние классы эквивалентности, также может проводиться в двух направлениях, либо добавлением инцидентности между двумя несвязанными переменными, либо исключением существующих инцидентностей.

Таким образом, используя предложенные алгоритмы, возможно генерировать все непосредственные уточнения и агрегаты начальной структуры системы.

ГЛАВА 3. МЕТОД ОПИСАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ СИСТЕМЫ И ОЦЕНКИ СТРУКТУР

В главе рассматриваются вопросы формального описания поведения проектируемой системы, в условиях наличия нечеткой информации у проектировщика о связях между функциональными элементами системы и между возможными их реализациями. Рассматриваются вопросы соответствия структуры и поведения системы, оценки синтезированных структурных предположений, исходя из начально-определенных требований к поведению системы.

Поведение системы задается шестеркой:

В = (¥,Х,/,А&,Ь),

где

- = множество переменных являющихся компонентами системы;

- X = Х^,- ■ -,Хп) - множество состояний, которые могут принимать переменные;

- Х- отображение, которое ставит в соответствие каждой переменной возможные состояния;

- А = Хі/(\>і),і— 1,.. ,,п - множество векторов состояний переменных;

- б-[ОД];

- отображение, которое ставит в соответствие каждому вектору состояний некоторое действительное число из [0, 1].

Значения отображения Ь(а) интерпретируются двумя способами. В одном случае Ь(а) - вероятность принятия вектора а в качестве реализации системы, в другом - степень принадлежности а множеству возможных реализации системы. В первом случае вступают в силу законы теории вероятностей, во втором теории нечетких множеств.

о— І І А—

Р Р ^

Г

>02

303

304

>05

>оє

^ -ч- Ь21 Ч Ж

Г"

Ш

л г ^

О Г~~УСК~]

Э41 3 42

Пг р ,//'4. '//' Ь5у/л

деда

/} 9б ' „/ї л// /,

о о-

97

-о

Эл

° ° °

О—О ' гіг^п О О ""бс^З

98 Ьві 99 вді 9ю Зю,і

Рис. 2. Решетка структур для 4-х переменных

Вероятностный подход возможен в случае наличия определенной статистики появления рассматриваемого вектора состояний в реализациях систем, подобных проектируемой. При отсутствии таких статистических данных применяется метод экспертных оценок каждого из возможных векторов состояний.

Аналогичным образом описывается поведение подсистем определенных на подмножествах V.

Начальное поведение системы, описанное предлагаемым способом, является, по сути своей, совокупностью знаний проектировщика о возможных реализациях проектируемой подсистемы, а структура отражает зависимости между компонентами проектируемой системы. На начальном этапе необходимо выяснить, поддерживаются ли зависимости между компонентами и реализациями этих компонент и, наоборот, как реализации влияют на установленные зависимости, т.е. речь идет о формальной оценке начальной структуры через оцененные ранее статистически либо экспертно возможные реализации (векторы состояний) системы. Для получения такой оценки структуры необходимо сформировать поведение, соответствующее структуре, и некоторым образом сравнить его с начальным. Для формирования поведения оцениваемой структуры необходимо из начального поведения выделить поведения подсистем, структура которых состоит из переменных первого и второго элементов структуры всей системы и определить общие переменные этих элементов. Далее формируются векторы состояний, соответствующие новой подсистеме, структура которой состоит из первого и второго элементов структуры системы. При совпадении состояний общих переменных первого и второго элементов, вектором новой подсистемы будет являться объединение соответствующих векторов первой и второй подсистем. Оценка Ь(а) каждого из векторов состояний новой подсистемы вычисляется, в случае вероятностного подхода к описанию поведения, по формуле Бейеса для условной вероятности, а в случае, когда оценками векторов состояний первой и

второй подсистем являются степени принадлежности этих векторов множеству

возможных реализации, Ъ(а) может вычисляться как AVERAGE, SUM либо

МАХ от оценок векторов состояний первой и второй подсистем. Далее в

качестве первой подсистемы выбирается подсистема, полученная в результате

объединения первой и второй подсистем, а в качестве второй - третья и т.д. В

результате будет сформировано поведение системы, соответствующее

оцениваемой структуре.

Аналогичным образом формируется поведение каждой из структур,

получаемых в результате генерации новых структурных предположений.

Для формальной оценки сгенерированной структуры принимается

критерий сохранения начального поведения систем.

Имея начальное поведение и поведение, соответствующее

сгенерированной структуре, а также используя понятия метрического

расстояния для возможностных и вероятностных распределений, возможно

получить количественную оценку степени отличия одного поведения от

другого. В том случае, если Ь(а) является вероятностью принятия вектора а в

качестве реализации системы, для вычисления метрического расстояния

используется величина направленной дивергенции для вероятностных

распределений. Пусть = - вероятностное

а

распределение, соответствующее начальному поведению, где вероятность принятия вектора а, Ао - множество векторов состояний соответствующее начальному поведению. Аналогично

Ь\' = {Ь\(")|аеЛр(а) = 1} - вероятностное распределение,

а

соответствующее поведению оцениваемой структуры. Определим носитель А, т.е. sup A = {a&A\b(ci)>Q)}. Если sup^g csup/ij, то

направленная дивергенция d{bJ,b.') вычисляется по формуле:

d(b,\W)= X b^log^b^/b^a)).

aesup Aq

По определению, метрическое расстояние или информационная плотность вероятностных распределений вычисляется по формуле:

Dib^b^dib^^+^ll+d^Xb^+b^ll).

Вычисленное значение метрического расстояния и будет являться количественной оценкой структуры, которой соответствует поведение с распределением Ь^.

При вычислении метрического расстояния для случая когда Ь(а).- степень принадлежности вектора а множеству возможных реализации (векторов состояний) А , используются понятия показателя неопределенности £/(/?') и меры прироста информации g(b§').

Показатель неопределенности определяется через мощность подмножества 1-уровня множества возможных векторов состояний А.

Подмножество 1-уровня:

В этом случае показатель неопределенности вычисляется по формуле : 1

ЩЬ')= jlog2\Al\di,

о

а мера прироста информации:

1

g(b0\ьх') = U{bx')-U(b0 •) = Jlog2(| Axl I /1 у \)dl,

о

где A[/ = {aeAi |Z>j(ö)>/} и AQl = {a^AQ\bQ{ä)>l}.

Однако, меру прироста информации возможно использовать в качестве метрического расстояния только тогда, когда Ь^ и Ь^ сравнимы, т.е.

bß'^bj'оЬ^(а)<Ь^(а)\/а^А. В случае несравнимости распределений, в

качестве .метрического расстояния принимается значение функции

вычисляемой по формуле :

G(V>'Ь\ ,) = ^(Ь0',тах(Ь0'„Ъ{ '))+g(bl\max(b0\lЬ,')).

Значение метрического расстояния для поведения системы имеющей предлагаемую структуру является оценкой вероятности или возможности принятия этой структуры системы.

В комплексе с предлагаемым формальным подходом могут использоваться традиционные методы оценки, основывающиеся на определении экстремальных значений целевых функций, в качестве параметров которой могут фигурировать такие характеристики как производительность системы, стоимость, энергоемкость, металлоемкость и т.п.

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА В ПРОЦЕССЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ

Глава посвящена реализации результатов теоретических исследований проведенных в предыдущих главах.

Предложенные во второй и третьей главах алгоритмы генерации функциональных структур, формирования поведения и вычисления метрических расстояний, реализованы в программном обеспечении генерации структур (ПО GS). Процедуры ПО GS написаны на языке программирования «Delphi». На рис. 3 представлена структура ПО GS, состоящего из пяти подсистем.

Подсистемы ввода (reada) и вывода (writea) состоят из процедур формирования начальной структуры и требуемого поведения системы и процедур вывода приемлемых структур и их наиболее вероятных реализаций, соответственно. Формирование структуры и требуемого поведения системы проводится в интерактивном режиме, причем пользователь может описывать компоненты системы и их возможные реализации в текстовой форме. После чего пользователю предлагается установить связи между определенными компонентами и их реализациями, причем необходимо также установить степень возможности совместного использования реализаций зависимых компонент.

Используя введенные данные автоматически формируется требуемое поведение и начальная структура системы. После чего пользователю предоставляется набор инструментов генерации новых структурных предположений (rso - декомпозиция элементов структуры, связанная с переходом в соседние классы эквивалентности структур; rsi - декомпозиция элементов структуры в рамках эквивалентности структур; aso - агрегирование элементов структуры, связанное с переходом в соседние классы эквивалентности структур; asi - агрегирование элементов структуры в рамках класса эквивалентности структур), вычисления поведения каждого из структурных предположений (combeh) и их оценки (evalu).

На каждом шаге генерации непосредственных агрегатов либо уточнений из всего множества сгенерированных структур будут выбираться только те, которые поддерживают требуемое поведение системы, и они сами уже будут являться начальными структурами на последующих шагах. Таким образом, в решетке структурных предположений будут выделены пути генерации наиболее приемлемых структур системы. Пользователю, в рамках ПО GS, предоставлена возможность управлять направлением генерации структурных предположений для более эффективного поиска наиболее приемлемых структур.

При использовании ПО GS пользователь может в любое время прервать процесс генерации и отредактировать как начальную структуру, так и поведение системы, кроме того, пользователь может, для любой из сгенерированных структур, получить спецификации наиболее вероятных реализаций системы. Возможности инструментальной комплексной среды позволяют проводить все описанные операции над информацией о проектируемой системе в интерактивном режиме работы.

Рис. 3. Функциональная структура ПО СБ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В диссертации решена задача, имеющая существенное значение для машиностроения и заключающаяся в повышении эффективности технических систем на основе их моделирования, структурного анализа и синтеза.

2. В результате изучения существующих материалов по вопросам проектирования технических систем установлено, что между функциональными структурами проектных решений на этапах разработки программно-технических компонент технических систем существуют зависимости.

3. Предлагаемые математические модели синтеза структур проектируемой системы позволяют описывать структуру и поведение системы, генерировать непосредственные агрегаты и уточнения начальной структуры, формировать поведение системы, соответствующее сгенерированным структурам, оценивать варианты структур путем сравнения вероятностных либо возможностных распределений, соответствующих начальному и сформированному поведениям.

4. Построены алгоритмы, позволяющие эффективно проводить формальную оценку отличия требуемого поведения системы от поведения, соответствующего предлагаемой структуре, т.е. определять насколько полно предлагаемая структура поддерживает требования к системе, следует, используя аппарат вычисления метрических расстояний между распределениями, соответствующими начальному и сформированному поведениям.

5. Спецификой предлагаемого метода к процессу проектирования является факт сохранения отношений, установленных на предметном уровне, на всех этапах. Эти отношения могут уточняться в процессе проектирования, агрегироваться или декомпозироваться на этапах определения комплекса программных средств, базового и общесистемного программного обеспечения и средств аппаратной поддержки проектируемой системы, но концептуально оставаться неизменными.

6. Применение разработанных инструментальных средств позволило:

- сократить сроки выполнения этапов предпроектных исследований, разработки технического задания и функциональной структуры проектируемой системы;

- снизить (до 30%) возможность ошибки в структуре проектируемой системы, тем самым повысить эффективность процесса проектирования;

7. Полученные результаты рекомендуются для применения в машиностроительной отрасли и в учебном процессе для направления 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств».

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Статьи, опубликованные в изданиях, входящих в перечень ведущих периодических изданий ВАК РФ:

1. Симанженков К.А., Тясто С.А. Формализация структурного синтеза автоматизированных производственных систем в машиностроении / Вестник МГТУ «СТАНКИН» №4(16), 2011г., с. 76-78;

2. Тясто С.А. Формальное описание поведения автоматизированной производственной системы и метод оценки ее структуры / Вестник МГТУ «СТАНКИН» №1(19), 2012г., с. 107-109.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

3. Тясто С.А., Симанженков К.А. Интерактивное проектирование технологической оснастки с использованием критериальных оценок / Материалы восьмой всероссийской научно-технической конференции 26 февраля 2010г., Вологда, ВоГТУ, с. 286-289;

4. Капитанов A.B., Мешков В.Г., Симанженков К.А, Тясто С.А. Критериальные оценки конструкторских решений при интерактивном проектировании приспособления для механообработки / Материалы XIII научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН" по математическому моделированию и информатике, МГТУ «Станкин», 12-14 мая 2010 г., с. 339-342;

5. Капитанов A.B., Симанженков К.А, Тясто С.А. Многокритериальная оптимизация при проектировании технических систем / Материалы III научно-образовательной конференции Машиностроение - традиции и инновации (МТИ-2010), секция «Автоматизация и информационные технологии», ноябрь-декабрь 2010 г., МГТУ «Станкин», с. 73-77.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тясто Сергей Александрович

Моделирование, структурный анализ н сннтез технических систем с целью повышения их эффективности

Подписано в печать 09.04.2012.

Формат 60х 90 1/16. Бумага 80 г.

Усл. печ. л. 1,75. Тираж 100 экз. Заказ 73.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» 127055, Москва, Вадковский пер., За Тел.: 8(499) 973-31-93

61 12-5/2403

ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет

«СТАНКИН»

На правах рукописи

Тясто Сергей Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ, СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ

ЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность: 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка

информации (технические системы)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доцент Симанженков К.А.

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ 7

......7

1.2. Формы представления структур

1.1. Задача структурного синтеза в процессе проектирования

13

1.3. Методы структурного моделирования 14

1.4. Методы структурного синтеза 17

21

1.5. Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ СТРУКТУРНЫХ

24

ПРЕДПОЛОЖЕНИЙ. 24

2.1. Определение структуры системы

27

2.2. Решетка структур

2.3. Алгоритмы генерации структур 32

39

2.4. Выводы

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ СИСТЕМЫ И ОЦЕНКИ

СТРУКТУР 41

3.1. Метод описания поведения системы 41

3.2. Формирование поведения системы по заданной структуре 43

3.3. Оценка структур системы 51

3.4. Выводы

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЛЕКСА МЕТОДОВ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА В ПРОЦЕССЕ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ 56

4.1. Реализация методов структурного синтеза 5 9

4.2. Пример использования комплекса методов структурного

синтеза для идентификации функциональной структуры подсистемы выбора схемы базирования системы технологического проектирования процессов

и оснащения сборки в машиностроении 64

4.3. Идентификация функциональной структуры и

специфицирование подсистемы формирования

функциональных структур систем 81

4.4.Выводы 100 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 102 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 104

ВВЕДЕНИЕ

Развитие рыночных отношений в стране сформулировало задачи по созданию и внедрению новых технологий и автоматизированных производств с использованием средств вычислительной техники и других средств автоматизации.

Ведущие организации отраслей хозяйства страны поставили задачи интенсификации внедрения новых технологий для достижения требуемых экономических показателей производства. В настоящее время ведутся работы по созданию производственных систем более высокого уровня интегрированных машиностроительных автоматизированных

производственных систем (ПС), включающих в себя все этапы проектирования и изготовления изделий машиностроения. Одной из важнейших частей автоматизированной ПС является комплекс программно-технических средств, составляющий основу подсистемы автоматизированного проектирования, а также подсистемы управления автоматизированным производством. Объединение этих систем будем называть технической системой (ТС). Проектирование программно-технического обеспечения под комплекс задач является принципиальным отличием идеологии автоматизированных ТС от существовавших ранее подходов к проектированию автоматизированных производств. Для воплощения данного подхода требуются глубокие знания как в областях технологии, конструирования, теории информации, вычислительной техники, программирования, математики и т.д., так и взаимосвязи друг с другом. Более того, в виду сложности взаимосвязей подсистем ТС, обособленная разработка программного обеспечения, технологического оборудования, аппаратного обеспечения, средств диагностики и контроля и т.д. принципиально невозможна и крайне неэффективна [14, 21, 68].

Сложность взаимосвязей подсистем и многообразие функций определяет

сложность структуры ТС, которая должна являться предметом исследования на ранних этапах проектирования. Вследствие недостаточного анализа функциональной структуры проектируемой системы, на этапах изготовления появляется большое количество неопределенных связей между программными модулями, аппаратными средствами, техническим оборудованием и другими компонентами. Это приводит к необходимости добавления новых функций в программное обеспечение, закупке дополнительного оборудования и другим трудозатратам. Для того, чтобы избежать незапланированных затрат на разработку необходимо создать комплекс методов анализа и синтеза структур проектируемых систем, позволяющих формировать гипотетическую структуру системы, генерировать и формально оценивать новые структурные предположения, прослеживать изменения в поведении системы при изменении структуры, а также согласовывать различные уровни описания подсистем [14, 15,21].

Целью данной работы является повышение эффективности технических систем на основе их моделирования, структурного анализа и синтеза.

Для достижения поставленной цели решались следующие научные задачи:

1. Выявление взаимозависимостей между структурами проектных решений на этапах разработки программно-технических компонент технических систем.

2. Выбор метода формального описания структур проектных решений,

обеспечивающих возможность:

- идентификации требуемого поведения проектируемой системы;

- установления отношений между структурами проектных решений на

различных этапах разработки.

3. Разработка математических методов генерации структур проектных решений на фиксированном этапе разработки.

Научная новизна работы заключается в:

1. выявлении взаимозависимостей между структурами проектных решений на этапах разработки программно-технических компонент

технических систем;

2. моделях генерации структурных предположений;

3. моделях описания поведения системы и оценки структур;

4. алгоритмах, позволяющих эффективно проводить формальную оценку отличия требуемого поведения системы от поведения, соответствующего предлагаемой структуре.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Задача структурного синтеза в процессе проектирования

Прогресс науки и техники привел к появлению сложных технических объектов - сложных систем, которые характеризуются сложностью выполняемых функций, большим числом взаимодействующих и взаимозависимых элементов. Проектирование таких систем требует огромных трудозатрат и занимает по продолжительности несколько лет. Противоречие между тенденциями усложнения систем и сокращения сроков проектирования актуализирует задачу автоматизации процесса проектирования.

При проектировании необходимо использовать методы и средства решения, которые обеспечивают минимальные материальные затраты и сроки проектирования, и оптимальность проектных решений. На практике, при проектировании, используются методы, которые можно разделить на экспериментальные, расчетные и эвристические, и их всевозможные сочетания [50]. Экспериментальные и расчетные методы используются для определения параметров проектируемой системы, эвристики применяются при решении задач синтеза структур проектируемой системы. Данная работа посвящена проблеме автоматизации процесса синтеза структур проектируемых систем и разработке автоматизированных средств описания поведения и структуры системы, средств генерации новых вариантов структуры и оценки

генерируемых структур.

Структурный синтез относится к наиболее трудноформализуемым задачам проектирования и обычно проводится специалистами высокого уровня вручную без использования математических методов, а полностью полагаясь на интуицию и опыт в создании систем, подобных проектируемой. В общем случае синтез структур системы сводится к задаче порождения вариантов

структуры структурных предположений и выбору наиболее приемлемого из них в качестве окончательного варианта структуры проектируемой системы. Различают следующие подходы к решению задач структурного синтеза: перебор вариантов структур, последовательный синтез вариантов структур, выделение варианта из обобщенной структуры, использование эвристических приемов, сведение к задаче дискретного математического программирования и использование специфических особенностей предметной области [50,56,64,29,9,77]. Однако на практике используются комбинации этих подходов, и процесс синтеза структуры системы может включать и элементы перебора, и последовательного синтеза, и эвристики, отражающие специфику предметной области. С формальной точки зрения, задача структурного синтеза принадлежит к классу ИР-полных и наиболее эффективное решение этой задачи возможно только при использовании средств вычислительной техники

высокой производительности [50,56,77].

При разработке подсистем проектируемой системы одной из первоочередных задач является идентификация начальной структуры и множества методов и алгоритмов, реализация которых позволит решать поставленные перед проектируемой системой задачи. Однако, для решения каждой из задач, как правило, могут быть использованы различные методы и алгоритмы, и их всевозможные комбинации. Возможность их использования можно характеризовать различными параметрами, отражающими трудоемкость, точность и другие показатели, кроме того необходимо убедиться в возможности их совместного использования, что в немалой мере определяется функциональной структурой системы на предметном уровне. Выбранные для реализации методы должны поддерживать отношения, установленные на множестве задач, стоящих перед проектируемой системой.

Так, например, в подсистеме технологического проектирования процессов и оснащения сборки в машиностроении, в которой осуществляется автоматизированное проектирование технологических процессов и оснащения

сборки, а также оценка технологичности сборочных единиц путем реализации последовательности функциональных преобразований [19,29], в качестве предметных задач, стоящих перед этой подсистемой, можно выделить

следующие:

формирование множества возможных схем базирования;

проверка схемы на отсутствие нерациональных сочетаний сборочных

баз;

проверка схемы по точности;

проверка схемы на существование возможной последовательности установки;

выбор оптимальной схемы по критерию технологической

себестоимости и т.д. [12]. Каждая из приведенных предметных задач может быть решена различными способами. Так, например, для решения задачи проверки схемы по точности можно использовать следующие методы:

- метод "максимума и минимума";

- вероятностный метод;

а для проверки схемы на существование возможной последовательности

установки:

- морфологический метод генерации перестановок;

- метод построения дерева возможных вариантов [29];

- метод формирования перестановок с учетом ограничений [53]. Далее, с учетом структуры подсистемы, формируется множество

возможных реализации подсистемы на уровне методов. Функциональная зависимость задач, решаемых подсистемой, определяется проектировщиком, и в соответствии с этой функциональной зависимостью устанавливаются приоритеты в использовании тех или иных методов решения предметных задач. Например, использование вероятностного метода в решении задачи проверки схемы по точности отличается высокой точностью решения, но он более

трудоемкий по сравнению с методом "максимума и минимума", т.е. использование этих методов, вне зависимости от методов решения других задач подсистемы, для проектировщика равнозначно. Однако, использование каждого из этих методов в комплексе с методами решения других задач подсистемы, должно основываться на требованиях к результатам работы этих методов со стороны методов решения задач, связанных с задачей проверки

схемы по точности.

Следующим этапом процесса проектирования является переход от

комплекса методов решения предметных задач к требованиям к программному обеспечению, необходимому для их реализации, и средствам их реализации. Как правило, для большинства задач и выбранных методов существуют готовые прикладные программные системы, однако для комплексного использования необходима их существенная доработка по согласованию входных и выходных данных, управлению процессом и другим характеристикам. На этом этапе процесса проектирования уточняется структура системы, определяются требования к программному обеспечению, необходимому для решения поставленных задач, выбираются программные средства удовлетворяющие этим требованиям, определяются требования к их комплексному использованию и требования к программным средствам реализации методов, для которых не существует приемлемых реализации.

Исходя из определенного комплекса программных средств, требований к их совместимости и требований к программному обеспечению, необходимому для реализации методов, для которых не определены реализующие их программные средства, определяются требования к общесистемному и базовому программному обеспечению, необходимому для функционирования выбранного программного обеспечения. Технология определения этих требований аналогична технологии предыдущих этапов проектирования. Каждый из набора программных продуктов, определенного на предыдущем этапе, реализован в определенной операционной среде, может использовать

стандартные библиотеки, трансляторы, пакеты, реализующие графические стандарты и т.д. Используя критерии единства операционной среды для функционирования программных средств, переносимости программных средств, наличия инструментальных средств адаптации программных продуктов и т.д., определяются требования к базовому и общесистемному программному обеспечению. Аналогично определяются требования к аппаратным средствам, необходимым для функционирования проектируемой системы.

Разграничение двух последних этапов проектирования на отдельные части носит чисто условный характер, т.к. в реальных задачах проектирования удобнее совмещать этапы определения требований к базовому и общесистемному программному обеспечению и к аппаратной поддержке проектируемой системы. Определив эти требования, необходимо перейти непосредственно к выбору конфигурации программно-технического комплекса проектируемой системы. Каждому определенному требованию ставятся в соответствие программно-технические средства удовлетворяющие этому требованию. Далее, формируется множество конфигураций программно-технического комплекса с указанием возможности использования каждого из

них.

Таким образом, в процессе проектирования можно явно выделить задачу поддержки отношений, установленных на предметном уровне, на всех этапах проектирования. Эти отношения могут уточняться в процессе проектирования, агрегироваться или декомпозироваться на этапах определения комплекса программных средств, базового и общесистемного программного обеспечения и средств аппаратной поддержки проектируемой системы. На рисунке 1.1. иллюстрируется процесс проектирования систем, основу которых составляет программно-технический комплекс.

Предметно-функциональная структура

Методы и алгоритмы

Формирование

<3

поведения

Генерация ^ структур _

81 - ¿1 Ш)< '([Ж1 ЕО [Ж])

с

Агоритмическо-функциональная структура

Генерация ^ структур

Прикладное ПО

Формирование 4 поведения

Г

(ш ш ш). 'С^з ш а)

Функциональная структура ПО

Генерация тг структур

Базовое и общесистемное ПО

Формирование п поведения

(гл гп т),_пт гтп)

^-1

£

Функциональная структура Б и ОС ПО

Аппаратные средства поддержки

Формирование

Генерация 4 структур _

(ш в ыДи [Щ

поведения

)

Рис. 1.1. Схема процесса проектирования программно-технических систем

1.2. Формы представления структур

Существует много различных толкований понятия структуры. Можно привести наиболее типичные из них. "Структура системы - это то, что остается неизменным в системе при изменении ее состояния, при реализации различных форм поведения..." [57]. "Под структурой системы понимается организация системы из отдельных элементов с их взаимосвязями, которые определяются распределением функций и целей выполняемых системой" [77]. "Структура -это множество всех возможных отношений между подсистемами и элементами внутри системы" [22]. "Частично упорядоченное множество называется структурой, если всякое его двухэлементное подмножество имеет как точную верхнюю, так и точную нижнюю грань" [67]. Все приведенные формулировки отражают основные свойства структур: множество элементов, наличие связей, инвариантность. В некоторых работах сделаны попытки дифференцировать понятия структур для систем различной природы. Структура производственной организации - это "устойчивое пространственно-временное распределение хозяйственных решений и обеспечивающих их реализацию ресурсов с соответствующими взаимосвязями" [69]. Определения такого вида не полностью отражают понятия структуры, а только запутывают предметной расшифровкой понятия элемента и связи в структуре. Предлагаемые в некоторых работах структурные схемы лишь в обобщенном виде описывают структуру системы [9]. Ст