автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Интегрированная система обработки структурированных физических знаний

На правах рукописи

005048990

ЯРОВЕНКО ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ

ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОБРАБОТКИ СТРУКТУРИРОВАННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ

05.13.12 - "Системы автоматизации проектирования (промышленность)"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ЯНВ 2013

Волгоград-2013

005048990

Работа выполнена на кафедре "Системы автоматизированного проектирования и поискового конструирования" Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Фоменков Сергей Алексеевич.

Официальные оппоненты: Яковлев Алексей Андреевич

доктор технических наук, доцент Волгоградский государственный технический университет кафедра «Автоматизации производственных процессов», профессор;

Ахмедов Сулейман Абдурагимович доктор технических наук, профессор Дагестанский государственный университет

кафедра «Информатики и информационных технологий», заведующий.

Ведущая организация Южный федеральный университет.

Защита состоится 14 февраля 2013 г. в 15:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.04 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, Волгоград, пр-т. им. В. И. Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «11» января 2013 г.

Ученый секретарь Водопьянов Валентин Иванович

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время бурное развитие вычислительной техники оказывает сильное влияние на процесс трансформации все большей доли труда из области переработки вещества и энергии в область поиска, хранения, переработки и передачи информации. В связи с чем чрезвычайно актуальна проблема удовлетворения потребностей в информации ученых-исследователей из фундаментальных и прикладных наук, специалистов-практиков (инженеров) из различных отраслей экономики.

В данной работе рассматриваются только физические знания. Физические знания активно используются при проведении научных исследований в различных областях науки и техники (методики исследований, свойства различных классов объектов, реакция объектов на разнообразные физические воздействия и т.п. ), в проектировании технических изделий и технологий. Накопленный к настоящему времени объем знаний в области физических наук настолько рассредоточен в различных монографиях, научных статьях, справочниках и энциклопедиях, что является практически необозримым для специалистов конкретных предметных областей. Кроме того, во многих случаях форма представления физической информации затрудняет их непосредственное использование в инженерной деятельности для решения проектно-конструкторских и технологических задач.

Для решения возникших проблем появились разработки по созданию специальных баз данных (БД) физических знаний, в которых физические знания представляются особым структурированным образом (в виде физических эффектов (ФЭ)), обеспечивающих их удобное использование. Применение ФЭ на начальных этапах проектирования технических систем позволяет создавать инновационное решение, а также выполнять прогнозирование развития новых решений.

В литературе представлены различные подходы к формализации моделей описания ФЭ, созданию на их основе автоматизированных систем обработки физической информации. Весомый вклад в развитие научного направления, в рамках которого осуществляется структурирование физической информации, внесли Г.С. Альтшуллер, Г.Я. Буш, В.Н. Глазунов, А.М. Дворянкин, М.Ф. Зарипов, В.А. Камаев, К.В. Кумунжиев, А.И. Половинкин, С.А. Фоменков, И.Ю. Петрова, 3. М. Шмаков, Г. Голл, Р. Коллер и другие отечественные и зарубежные ученые.

В работе взято за основу направление исследований, проводимых на кафедре САПР и ПК Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ). В рамках данной школы была разработана обобщенная модель описании ФЭ, включающая модель входной информации (входная карта) и модель выходной информации (выходная карта), создан фонд ФЭ, в котором содержится свыше 1200 описаний ФЭ, а также разработаны автоматизированные системы обработки БДФЭ (ACO БДФЭ): автоматизированная система синтеза ФПД (АСС ФПД), автоматизированная информационно-поисковая система по ФЭ (АИПС ФЭ), автоматизированная система поддержки процесса формирования информационного обеспечения БДФЭ (АС ППФИО).

Однако, задача организации удобного и эффективного взаимодействия различного типа пользователей с БДФЭ по-прежнему далека от своего полного решения. Среди наиболее актуальных проблем можно выделить следующие: отсутствие единой БДФЭ; отсутствие специальных инструментов администрирования БДФЭ; использование ACO БДФЭ по отдельности; дублирование функциональности систем; наличие только текстового описания в выходной карте ФЭ, отсутствие в ней графических и символьных изображений, формул, табличных данных; «жесткая» структура представления описания ФЭ.

Цель диссертационной работы. Целью данной работы является повышение эффективности процесса взаимодействия пользователей с БДФЭ за счет интеграции автоматизированных систем обработки БДФЭ в единый программный комплекс и улучшения восприятия отображаемой пользователю информации о ФЭ. Взаимодействие пользователей с БДФЭ включает в себя совокупность процессов управления БДФЭ администратором системы, реализации новых и модифицированных методов обработки БДФЭ разработчиками системы, выполнения поисковых и других запросов к БДФЭ конечными пользователями системы. В качестве критериев эффективности будем понимать как количественные критерии (время, затрачиваемое на информационное наполнение БДФЭ, внедрение новых видов обработки БДФЭ и т.п.), так и качественные (удобство работы пользователей).

Задачи исследования. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

• анализ существующих моделей описания ФЭ, используемых систем обработки БДФЭ, подходов к интеграции систем;

• модификация модели описания ФЭ с целью интеграции систем в единый комплекс и улучшения восприятия отображаемой пользователю информации о ФЭ;

• разработка «гибкой» структуры представления описания ФЭ;

• разработка моделей и алгоритмов интеграции систем;

• создание интегрированной системы обработки БДФЭ;

• проверка работоспособности и эффективности реализованной системы.

Объект исследования - структурированные физические знания и автоматизированные

системы на их основе.

Предмет исследования - процесс взаимодействия пользователей с БДФЭ.

Методы исследования. В работе использованы методы математического анализа, системного анализа, искусственного интеллекта, теории БД, теории многоагентных систем (MAC), объектно-ориентированного проектирования программных систем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

. модифицирована модель описания ФЭ за счет включения в нее формализации функциональной зависимости физических величин ФЭ, которая представляется в виде суперпозиции графических участков. Разработана методика и алгоритм создания набора графических участков функциональной зависимости физических величин ФЭ. Модель позволяет усовершенствовать дескрипторный метод поиска ФЭ по компонентам вход, объект, выход путем реализации запросов конечных пользователей по характеру изменения физических ве-

личин (что важно для создания эффективного автоматизированного справочника физико-химических свойств веществ), а также более корректно строить варианты ФПД;

• разработана «гибкая» структура представления описания ФЭ, позволяющая вносить изменения в описание ФЭ с сохранением работоспособности каждой из ACO БДФЭ. В результате изменения, вносимые для одной из систем, не влияют на работоспособность остальных;

• разработана модель многоагентиой системы обработки БДФЭ, включая модель агентов, модель взаимодействия агентов, роли агентов при взаимодействии. Модель MAC позволяет интегрировать ACO БДФЭ за счет разработки открытой распределенной системы, образованной несколькими взаимодействующими агентами, расширять функциональность системы за счет внедрения новых агентов, реализовать единую БДФЭ.

Обоснованность и достоверность результатов. Достоверность научных положений и результатов, приведенных в диссертационной работе, обеспечивается использованием апробированных на практике методов теории многоагентных систем, системного анализа, теории баз данных, математического анализа, а также подтверждается результатами проверки работоспособности и эффективности созданной системы на контрольных тестовых примерах.

Практическая значимость и внедрение. Разработана интегрированная автоматизированная система СОФИ II, выполняющая поиск ФЭ, информационное наполнение БДФЭ, синтез ФПД. Софи II реализована на базе многоагентной технологии. Это позволяет объединить ACO БДФЭ в единый комплекс, упростить процесс разработки новых и модифицированных видов обработки БДФЭ. Софи П предоставляет инструментарий для администрирования БДФЭ, благодаря чему стало возможным вводить графическую информацию, формулы, табличные данные, форматированное текстовое описание.

Использование Софи II позволяет повысить эффективность работы администраторов БДФЭ, разработчиков систем обработки БДФЭ, а также улучшить восприятие отображаемой пользователю информации о ФЭ.

Софи II зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности» Федеральной службы по интеллектуальной собственности РФ, прошла апробацию и внедрение в ООО «Сингулярис Лаб» в рамках исследовательского проекта по компьютерному моделированию геофизических зондов, что отражено в соответствующем акте. Результаты работы использовались при выполнении Государственного контракта Министерства образования и науки РФ № 16.647.11.1025 от 2011 года «Создание базы физико-технических знаний и прогнозирование на ее основе появления новых нанотехнических систем». По материалам работы получено несколько дипломов на Всероссийских и региональных смотрах-конкурсах работ молодых ученых.

Положения, выносимые на защиту:

• формализация компьютерного представления функциональной зависимости физических величин ФЭ;

• усовершенствованный дескрипторный метод поиска ФЭ по компонентам вход, объект, выход с учетом функциональной зависимости физических величин ФЭ;

• «гибкая» структура представления описания ФЭ;

• модель многоагентной системы обработки БДФЭ;

• автоматизированная система СОФИ II и результаты ее тестирования.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "САПР и ПК" ВолгГТУ, а также на Международных и Всероссийских научных и научно-практических конференциях: "Технологии Microsoft в теории и практике программирования" (Москва, 2007, 2008, 2009); "Информационные технологии в обучении и производстве" (Камышин, 2007, 2008); "Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе" (Ялта-Гурзуф, 2009); "Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте" (Коломна, 2011); "Математические методы в технике и технологиях ММТТ-25" (Волгоград, 2012); "Международный конгресс по интеллектуальным системам и информационным технологиям" (Геленджик-Дивноморское, 2012); "Проблемы управления и моделирования в сложных системах" (Самара, 2012).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 15 опубликованных работах. В том числе 6 статей напечатаны в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ; получено 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка литературы. Общий объем диссертации - 139 страниц, включая 30 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 114 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обозначена актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи, определены научная новизна и перечень основных положений, выносимых на защиту, кратко описывается содержание глав диссертации.

В первой главе производится обзор работ, связанных с использованием структурированных физических знаний в виде ФЭ, подходов к формализации моделей описания ФЭ, созданных на их основе информационных систем, методы интеграции автоматизированных систем.

В качестве таких подходов рассмотрены: энерго-информационная модель цепей и метод структурных параметрических схем [Зарипов М.Ф., Петрова И.Ю. и др.], комбинаторный метод поиска принципов действия [Глазунов В.Н. и др.], теория решения изобретательских задач [Альтшуллер Г.С. и др.], функционально-физический и компьютерные методы поискового конструирования [Коллер Р., Половинкин А.И., Дворянкин A.M., Камаев В.А., Фоменков С.А. и др.].

Модель описания ФЭ, разработанная на кафедре САПР и ПК ВолгГТУ, обладает более высоким уровнем общности по сравнению с другими моделями. Модель позволяет реализо-

вать как линейный, так и сетевой синтез цепочек ФПД. В работах Фоменкова СЛ. описана методика наполнения фонда ФЭ.

В рамках данной школы была сформирована обобщенная модель описании ФЭ, включающая модель входной информации (входная карта) и модель выходной информации (выходная карта), создан фонд ФЭ, в котором содержится свыше 1200 описаний ФЭ, а также разработаны автоматизированные системы обработки БД ФЭ.

Автоматизированная информационно-поисковая система по ФЭ. Программа поддерживает различные виды поиска (поиск по формализованным запросам, полнотекстовый поиск, поиск по запросам на естественном языке).

Автоматизированная система поддержки процесса формирования информационного обеспечения фонда ФЭ. Система позволяет существенно снизить время и трудозатраты на поиск описаний новых ФЭ и расширение описаний существующих ФЭ.

Автоматизированная система синтеза физических принципов действия технических систем. Система используется при разработке новых технических систем, для функционально-физического анализа и совершенствования существующих технических систем.

Опыт внедрения и эксплуатации систем выявил ряд существенных недостатков в реализованной модели описания ФЭ, способе хранения ФЭ, представлении информации пользователю, функционировании программ:

• отсутствие единой БДФЭ. Каждая из АСО БДФЭ работает со своей (локальной) БД, взаимодействие между системами отсутствует. Например, изменения, вносимые АС ППФИО, недоступны автоматически другим системам;

• отсутствие специальных инструментов администрирования БДФЭ. Для хранения данных АСО БДФЭ используют СУБД Microsoft Access, которая позволяет вводить только текстовую информацию. Контроль при сохранении данных отсутствует. Информационное наполнение БД происходит в процессе разработки системы. Во время эксплуатации конечный пользователь не может вносить изменения в БД;

• пользователю приходится использовать АСО БДФЭ по отдельности. Вследствие этого увеличивается время поиска результата, а также возникает вероятность того, что пользователь не использует одну из систем и решение не будет найдено. Целесообразнее использование единой системы обработки БДФЭ, которая бы включала существующие АСО БДФЭ в качестве подсистем;

• при выполнении процедур синтеза ФПД и извлечения ФЭ из первоисточников системы АСС ФПД и АС ППФИО самостоятельно производят поиск ФЭ, повторяя работу системы АИПС ФЭ. Появляется дублирование функциональности систем. Такой подход снижает эффективность функционирования данных систем;

• наличие только текстового описания в выходной карте ФЭ, отсутствие графических и символьных изображений, формул, табличных данных. Причиной такого ограничения является отсутствие специализированных средств администрирования БД. Данное обстоятельство затрудняет восприятие информации конечными пользователями. Во входной карте отсутствует компьютерное представление математической модели ФЭ;

• «жесткая» структура представления описания ФЭ не позволяет вносить изменения в описание ФЭ с сохранением работоспособности каждой из ACO БДФЭ. В ACO БДФЭ используется реляционная БД для хранения ФЭ. Структура БДФЭ организована таким образом, что каждая строка таблицы представляет собой описание ФЭ, разделы которого содержатся в столбцах. При добавлении нового раздела в описание ФЭ, необходимо изменить структуру таблицы (добавить новый столбец). Вследствие чего ACO БДФЭ перестают функционировать. Необходимо адаптировать каждую из ACO БДФЭ под новую структуру БДФЭ.

Таким образом, задача организации удобного и эффективного взаимодействия различного типа пользователей с БДФЭ не решена до конца. Необходимо интегрировать ACO БДФЭ в единый комплекс, разработать инструментарий для наполнения БДФЭ, организовать многоуровневое представление выходной карты ФЭ для улучшения восприятия информации конечным пользователем.

В работе рассмотрены наиболее известные подходы интеграции информационных систем: взаимодействие посредством файловой системы, использование общей БД, метод удаленных вызовов процедур, метод обмена сообщениями, применение многоагентного подхода.

В данной диссертационной работе был выбран подход на основе многоагентных систем, как наиболее подходящий для рассматриваемой предметной области. MAC позволяет: интегрировать ACO БДФЭ благодаря разработке открытой распределенной системы, образованной несколькими взаимодействующими агентами; расширять функциональность системы за счет внедрения новых агентов; устранить дублирование функциональности с помощью взаимодействия и кооперации агентов; адаптироваться под изменяющиеся требования предметной области; реализовать единую базу данных ФЭ, что автоматически решает проблему актуальности данных. Отметим также, что в MAC изначально заложена масштабируемость решения задачи, как за счет параллельной работы агентов, так и за счет распределенного решения задач агентами.

Вторая глава посвящена разработке модели многоагентной системы обработки БДФЭ, включая модель агентов, модель взаимодействия агентов, роли агентов при взаимодействии, модели «гибкой» структуры представления описания ФЭ, усовершенствованного дескрип-торного метода поиска ФЭ по компонентам вход, объект, выход с учетом функциональной зависимости физических величин.

В работе предложена модель представления функциональной зависимости физических величин входа и выхода ФЭ. В качестве базовой формы представления принята графическая зависимость двух величин y=f(x) (двумерный случай), что соответствует практике научных и инженерных исследований. В целях формализации графическую зависимость y=f(x) будем представлять в виде суперпозиции графических участков (элементов) в соответствии со справочником элементарных графических участков Y. Справочник Y содержит компоненты, каждая из которых описывается кортежем:

Y = <N¡,z¡',zí2,TÍ>, (1)

где N1 - номер (идентификатор) I - того графического участка; а'- знак первой производной функции Г на 1 - том участке; щ2- знак второй производной функции Г на! - том участке; Т, - вербальная характеристика (дескриптор) изменения функции { на 1 - том участке. Если функция £ является монотонной, она характеризуется одним из дескрипторов Т,, в противном случае - упорядоченной совокупностью дескрипторов, соответствующей порядку разбиения Г на элементарные участки.

Создание справочника У обеспечило возможность стандартизации при составлении описаний ФЭ и формировании информационного обеспечения соответствующих автоматизированных систем, оперирующих с ФЭ.

Для представления функциональной зависимости физических величин ФЭ была модифицирована модель описания ФЭ. В выходной карте ФЭ было расширено содержание раздела «Математическая модель» (М,ых). Мвьк может быть представлен: текстовым описанием, графически, таблично или формулой. Во входной карте ФЭ было расширено формализованное описание входа и выхода ФЭ за счет включения в нее компьютерного представления функциональной зависимости физических величин ФЭ (Мвх).

Был модифицирован справочник входов и выходов Б (Бт). Для этого использовались элементы из справочника графических элементов У. В данной работе предложен обобщенный алгоритм создания набора графических участков функциональной зависимости физических величин ФЭ на основе математической модели ФЭ (см. рис. 1).

Процесс вычисления значений функции зависит от того, в каком виде представлена зависимость. Если математическая модель задается в виде формулы, то используется модифицированный алгоритм «сканирование на детерминированной сетке». В случае, когда математическая модель задается в виде графического изображения, то используется алгоритм «сканирующая прямая». В диссертационной работе дано детальное описание упомянутых алгоритмов.

Рис. 1. Обобщенный алгоритм создания набора графических участков функциональной зависимости величин ФЭ

У алгоритма на рис. 1 есть ограничения: обрабатываются ФЭ только с одним входом; не идентифицируются апериодические, полигармонические зависимости.

В работе был усовершенствован дескрипторный метод поиска ФЭ по компонентам вход, объект, выход с учетом функциональной зависимости физических величин ФЭ. Для этого было изменено индексирование описания каждого ФЭ по компоненту выход. В соответствии со схемой поиска помимо индексирования описаний ФЭ требуется умение формировать поисковые образы запросов (ПОЗ), т.е. выражать (индексировать) информационный запрос пользователя средствами информационно-поискового языка (ИПЯ). Модифицированная процедура индексирования запросов к базе данных по ФЭ проиллюстрирована на ряде примеров в таблице 1.

Таблица 1. Индексирование запросов к БДФЭ средствами ИПЯ

Формулировка запроса на естественном языке Поисковый образ запроса

В каком ФЭ при увеличении температуры кристалла коэффициент теплопроводности сначала линейно возрастает, затем уменьшается? А: Параметрический. Термодинамика. Температура (К). {Изменение. Увеличение} В: Твердое тело. Кристаллическое твердое тело. С: Параметрический. Термодинамика. Коэффициент теплопроводности (Вт/м*К). {Изменение. Увеличение. Линейное} + {Изменение. Уменьшение}

В каких ФЭ относительная деформация металла вначале увеличивается, а потом становится постоянной? А:- В: Проводник. Металлический проводник. С: Параметрический. Механика. Относительная деформация. {Изменение. Увеличение} + {Постоянство}

В каких ФЭ ток при росте напряжения в металлах сначала линейно увеличивается, потом увеличивается нелинейно, а далее происходит скачкообразное увеличение? А: Электрическое поле. Разность потенциалов (В). {Изменение. Увеличение} В: Проводник. Металлический проводник. С: Электрический ток. Сила электрического тока (А). {Изменение. Увеличение. Линейное} + {Изменение. Увеличение. Нелинейное. (Вогнутое | Выпуклое)} + {Изменение. Увеличение. Скачкообразное}

Данный вариант метода поиска позволяет реализовать запросы конечных пользователей по характеру изменения физических величин ФЭ (что важно для создания эффективного автоматизированного справочника физико-химических свойств веществ), а также более корректно строить варианты ФПД. Например, после синтеза большого числа вариантов ФПД отсекать физически нереализуемые варианты за счет «усиления» условий эквивалентности входов и выходов ФЭ при построении цепочек ФЭ.

В настоящей работе создана «гибкая» структура представления описания ФЭ, позволяющая вносить изменения в описание ФЭ с сохранением работоспособности каждой из ACO БДФЭ. Для этого используется иерархическая структура (дерево). Каждый элемент структуры определим в виде кортежа следующего вида:

А = < ID, Т, Р, L¡st<0, V, D, L >, (2)

где ID - уникальный идентификатор элемента; Т - тип элемента; Р - родительский элемент, List<C> - список дочерних элементов; V - свойство видимости элемента; D - значение элемента; L - уровень элемента.

В структуре определен один специально выделенный элемент, называемый корнем дерева (Root). Предлагается для корневой вершины использовать название конкретного ФЭ.

У элемента определены следующие типы: компонент модели, элемент из тезауруса, числовое поле, текстовое поле, изображение, формула, таблица, форматированный текст, ссылка на другой элемент структуры.

Значение элемента D зависит от типа элемента Т. Например, если элементом является термин из тезауруса, то значением будет сам термин. А если элемент - формула, то его значением является текстовое описание формулы в формате MathML.

Видимость элемента позволяет определять так называемые метаданные - элементы, которые несут дополнительную информацию для автоматизированных систем. Данные элементы не отображаются, например, при просмотре пользователем информации о ФЭ.

Улучшение восприятия отображаемой конечному пользователю информации о ФЭ было реализовано за счет многоуровнего (в работе используется двухуровневая схема) представления выходной карты ФЭ. На первом уровне - стандартное текстовое представление (название, описание входа, объекта, выхода, сущности ФЭ, практическое применение), как это было принято во всех ACO БДФЭ. На втором уровне - разделы описания выходной карты в соответствии с обобщенной моделью описания ФЭ. Для реализации многоуровнего представления у элемента структуры определено свойство L - уровень элемента.

В данной работе была разработана обобщенная иерархическая структура представления описания ФЭ (см. рис. 2).

- Haname Фммвскоге »ФФекге {1)

- Входив» карта {1>

Идентификатор 0} Числовое поле (1)

.....Наименее»«* П)

Текстовое поле (I)

•••• ВмдО.....n$i>4

Элемент из теэдоцса S« (1)

Элемент« темгрусе Sm (ü. 1)

к- Объект <1)

|- Начальное ссстовл» объекта (1) Элемент из тезг,руса Т <1) !••-Элемент ив тезауруса Т (0,1) L- Конечное состоите объект* (1) ¡-■Элементна тезауруса Т (I)

'—•Элементна тезауруса Т (0.1)

- Бьюд(1)

•—Элемент и» тезауруса Su (1)

'-Элементна тезауруса Sm (0.1}

L- Практическое гф^енеше {0.1} '—Элемент из тезауруса W 0)

Элементна тезауруса W {0, J)

- Еьмэдов «рта (1)

- - Иданп»»»*атер (1)

- Чвловое поле (1)

- Наименование (1)

L- ■ Текстовое пом 0}

- Огмсаде веда (1.....п fr > 1J)

I Текстовое пом 01 ' —Диапазон изменен* {0,1} Í- - Начало диапазона (1) i I—Числовое none Ш I • Окончат«« Ачпааона (1} д деловое попа 0)

Рис. 2. Обобщенная структура представления описания ФЭ

—Опиеа»«* объекта (1)

Описание началмго состояния объекта (1)

| •— Тексюеоеполе(1)

'—Описание коне«» ого состояния объекта (1} • - Текстовое поле (1) —Описание еьвма (1)

Ь Текстовое попе (1) ¿Ьяпазон наченама (0.1) !■—Начало в<апезоиа (1) I •■•■-ЧтаюввеловеГО --Окончание диапазона (1)

!.....Числовое попа (1)

- Сущность ФЗ (1)

I—Текстовое по« 0) —Одстша метема шчес*ой модели (0,1) Таблица (0.1) Формула (0.1) Текстовое поле ф. 1) Изображение <0.1) Расшфвниса описание сдоостм ФЭ <0,1) Текстовое поле (0,1) -Формат^«в»»»й текст ф, 1) Описание примчи* ФЭ {1>

—-Текстовое поле (1) Пере»» литератур»« источников (1) I—Текстовое попе (1)

Следует заметить, что обобщенная структура может содержать элементы, которые не будут использованы (или будут использованы несколько раз) при создании описания конкретного ФЭ. Для этого в обобщенной структуре в скобках указано количество повторений.

Для решения задачи интеграции ACO БДФЭ в единый комплекс в настоящей работе разработана модель MAC обработки БДФЭ. MAC представляет собой открытую систему децентрализованного искусственного интеллекта и определяется следующим образом:

MAC = < А, О, R, Р, L >, (3)

где А - множество агентов, функционирующих в MAC; О - множество операций обработки БДФЭ, которые поддерживаются MAC; R - множество отношений между агентами; Р -множество типов взаимодействий агентов (коммуникативных актов, образующих протокол коммуникации в MAC); L - язык обмена сообщениями в MAC.

MAC представляет собой одноуровневую структуру. Вследствие чего в ней определены только горизонтальные отношения между агентами: координации, сотрудничества или кооперации.

Агенты функционируют в среде, в которую помимо агентов входят следующем компоненты: БДФЭ; внешние источники информации (файловая система, Интернет); пользователи. На вход MAC поступают запросы от пользователей, на выходе - результаты запросов. Модель агента представляется в виде:

А = < AID, AT, АО, AST, AAC >, (4)

где AID - идентификатор агента; AT - тип агента; АО - подмножество операций обработки БДФЭ; AST - множество состояний агента; ААС - множество действий агента.

Агент может находиться в одном из множества состояний AST = {«Свободен», «Выполнение задачи», «Ожидание завершения работы исполнителя», «Участие в аукционе», «Передача результата», «Передачазадачи»}.

Необходимость в кооперации агентов возникает в случае неспособности самостоятельного решения задачи. В разработанной MAC взаимодействие между агентами реализовано согласно принципу проведения аукционов. Для этого в MAC определены две роли агентов при взаимодействии: исполнитель и заказчик. Для осуществления взаимодействия используется протокол контрактных сетей, который определяет полный список всех актов взаимодействия между агентами и сценариев взаимодействия. В качестве языка обмена сообщениями используется Agent Communication Language.

В диссертационной работе подробно рассмотрены компоненты модели MAC и модели агента.

В третьей главе описана созданная интегрированная система обработки БДФЭ Софи П, реализующая предложенные модели и алгоритмы. Софи II является приложением для ОС Windows, которое выполняется в среде .NET Framework. Основным языком программирования был выбран С#. Разработки велись в программе Visual Studio 2010.

Полнспеь- Делртиг-

стошй ropmä

отек иона

ABC«

Рис. 3. Функциональная схема системы Софи II

Для хранения ФЭ используется СУБД Microsoft SQL Server 2008. На рис.3 показана функциональная схема системы.

Софи П состоит из нескольких модулей (см. рис. 4). Модуль MAC выполняет процедуры обработки БДФЭ. Он является центральным в интегрированной системе и был реализован на основе модели MAC, представленной в главе 2.

Модуль даиннстдооюаж MAC

Модум Яфо

фаримртшм заярося 4-frl

Модуль алммшстркроваюи

таю

Рис. 4. Общая архитектура системы Софи II В работе подробно рассмотрены архитектуры и функции модулей системы.

При разработке системы Софи II рассматривались различные платформы для создания MAC. В результате анализа была выбрана платформа AgentService, позволяющая реализовы-вать MAC в области программных агентов. При тестировании AgentService были выявлены ошибки в ее функционировании: программа экстренно завершала свою работу в ряде случаев; серия последовательных запусков программы приводила к различным результатам; при изучении исходных кодов платформы были обнаружены нарушения стандартов проектирования, ошибки при работе с потоками. Для устранения ошибок платформа AgentService была доработана. В нее также были добавлены новые компоненты, позволяющие упростить процесс разработки агентов и отслеживать ошибки во время работы платформы.

При проектировании MAC использовался стандарт FIPA, регламентирующий общую архитектуру многоагентной системы, способы взаимодействия агентов, жизненный цикл агента. Взаимодействие агентов реализовано по принципу проведения аукционов, так как состав агентов-исполнителей может меняться. Для реализации взаимодействия использовался язык ACL (Agent Communication Language), основанный на использовании теории речевых актов. Взаимодействие агентов реализовано согласно протоколу Contract Net Protocol (протокол контрактных сетей). Для разработки агента выбрана вертикальная многоуровневая архитектура (см. рис. 5).

Рис. 5. Обобщенная архитектура агента

В работе детально рассмотрены модули архитектуры агента, взаимодействие между модулями, реализованные агенты MAC. Для упрощения процесса создания агентов разработана методика преобразования методов обработки БДФЭ каждой из ACO БДФЭ в модули агентов.

В четвертой главе проведен анализ работоспособности и эффективности системы Софи

П на тестовый примерах.

Тест 1. В данной работе был разработан агент АДП-АВСт, который выполняет усовершенствованный дескрипторный метод поиска ФЭ по компонентам вход, объект, выход с учетом функциональной зависимости физических величин (поиск АВСт). АДП-АВСт был внедрен в систему Софи П. Для того чтобы оценить насколько сократилось время при внедрении нового метода обработки БДФЭ, был проведен сравнительный анализ. Сравнивалось время, затраченное на реализацию АДП-АВСт. со временем, требующимся на доработку по-

иска ABC в АИПС ФЭ, доработку синтеза в АСС ФПД и доработку поддержки информационного наполнения в АС ППФИО (см. табл. 2). При оценке времени учитывалось, что на изменение описания ФЭ в ACO БДФЭ требуется 0.5ч и в Софи II 0.1ч. В базе данных содержится 300 ФЭ.

Таблица 2 Результаты сравнительного анализа разработки поиска АВСт вАСОБДФЭ и разработки агента АДП-АВСт

Этапы разработки Разработка АВСт в ACO БДФЭ (ч) Разработка и внедрение агента АДП-АВСт (ч)

Изменение в БД справочника воздействий 4 0.5

Изменение в БД входной карты ФЭ 150 30

Доработка подсистемы АИПС ФЭ 80 Отсутствует

Доработка подсистемы АС ППФИО 90 Отсутствует

Доработка подсистемы АСС ФПД 100 Отсутствует

Разработка агента АДП-АВСт Отсутствует 70

Итого 424 100.5

Результаты таблицы 2 показывают, что Софи II позволяет в 4 раза сократить время на внедрение поиска АВСт. Такой показатель достигается за счет того, что доработка и внедрение нового агента происходит без существенных доработок системы. Помимо этого не нужно менять структуру БД. Редактирование тезаурусов и описаний ФЭ осуществляется не разработчиками, а администратором БДФЭ.

Следует отметить, что средства администрирования для конечного пользователя в ACO БДФЭ отсутствуют. Вносить описания ФЭ могут только разработчики систем. Система Софи II предоставляет инструментарий для информационного наполнения БДФЭ. Софи II позволяет редактировать тезаурусы, описания ФЭ. Помимо текстовой информации появилась возможность вводить формулы, изображения, форматированный текст, таблицы, что было недоступно в ACO БДФЭ даже для разработчиков систем.

Тест 2. Во время тестовой эксплуатации Софи II агент пополнения БДФЭ из первоисточников (АППИ) нашел 30 новых ФЭ. Данная информация была занесена в БДФЭ администратором. При этом было затрачено 10ч. В среднем на ввод в БД одного ФЭ в системе Софи II требуется 0.3ч. Практически установлено, что в системах ACO БДФЭ на ввод одного ФЭ в БД требуется разработчикам 0.9ч. В результате разработчикам систем ACO БДФЭ требуется 27,5ч, что почти в 3 раза больше, чем в Софи II.

Тест 3. Усовершенствованный метод поиска АВСт позволяет выполнять поиск ABC ФЭ с учетом функциональной зависимости физических величин ФЭ. В работе было проведено сравнение усовершенствованного поиска АВСт в Софи II и базового поиска ABC в системе АИПС ФЭ (см. таблицу 3).

Таблица 3 Результаты сравнительного анализа поиска АВСт в Софи II и поиска ABC в АИПС ФЭ

Формулировка запроса на естественном языке Результаты ABC запроса Результаты АВСШ запроса

При каких ФЭ в твердом теле вначале увеличивается относительная деформация, далее относительная деформация становится постоянной? 28 ФЭ. Средняя величина релевантности 0,66 ЗФЭ. Средняя величина релевантности 0,92

В каких ФЭ ток при росте напряжения сначала вогнуто увеличивается, а далее происходит скачкообразное изменение? 24 ФЭ. Средняя величина релевантности 0,73 2ФЭ. Средняя величина релевантности 0,95

Существует ли ФЭ, в котором сопротивление однофазного вещества увеличивается до определенной величины, далее сопротивление уменьшается? 14 ФЭ. Средняя величина релевантности 0,082 Отсутствуют

Тестовые испытания показывают, что поиск АВСт позволяет уточнять поисковый запрос ABC. В результате сокращается время на поиск результата конечным пользователем за счет уменьшения результирующей выборки.

Система Софи П может использоваться инженерами и изобретателями на начальных этапах проектирования технических систем. Система может быть внедрена на научных и промышленных предприятиях, в НИИ, в конструкторских бюро.

Также, система может быть полезной в преподавании научных дисциплин, связанных с физикой, проектированием и методами инженерного творчества, и служить средством помощи при выполнении студентами лабораторных и курсовых работ по этим дисциплинам.

Система Софи II зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности» Федеральной службы по интеллектуальной собственности РФ, прошла апробацию и внедрение в ООО «Сингулярис Лаб» в рамках исследовательского проекта по компьютерному моделированию геофизических зондов, что отражено в соответствующем акте. Результаты работы использовались при выполнении Государственного контракта Министерства образования и науки РФ № 16.647.11.1025 2011 года «Создание базы физико-технических знаний и прогнозирование на ее основе появления новых нанотехнических систем».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основе разработанных модифицированной модели описания ФЭ, модели «гибкой» структуры представления описания ФЭ, модели многоагентной системы реализована интегрированная автоматизированная система обработки БДФЭ Софи II, позволяющая уменьшить время внедрения новых и модифицированных методов обработки ФЭ, сократить время информационного наполнения БДФЭ, улучшить восприятие отображаемой пользователю информации о ФЭ.

Основные результаты работы состоят в следующем.

1) Проведен анализ подходов к формализации физических знаний и автоматизированных систем на их основе. Выявлены недостатки в реализованных моделях описания ФЭ, способе хранения ФЭ, представлении информации пользователю, функционировании систем и намечены пути их устранения. На основе анализа подходов к интеграции автоматизированных информационных систем в единый комплекс выбрано применение многоагентной технологии.

2) Модифицирована модель описания ФЭ за счет включения в нее формализации функциональной зависимости физических величин ФЭ, которая представляется в виде суперпозиции графических участков в соответствии со справочником элементарных графических участков. Разработана методика и алгоритм создания набора графических участков функциональной зависимости физических величин ФЭ.

3) Усовершенствован дескрипторный метод поиска ФЭ по компонентам вход, объект, выход с учетом функциональной зависимости физических величин. Данный вариант метода позволяет реализовать запросы конечных пользователей по характеру изменения физических величин ФЭ (что важно для создания эффективного автоматизированного справочника физико-химических свойств веществ), а также более корректно строить варианты ФПД.

4) Предложена «гибкая» структура представления описания ФЭ, позволяющая вносить изменения в описание ФЭ с сохранением работоспособности каждой из ACO БДФЭ. В результате изменения, вносимые для одной из систем, не влияют на работоспособность остальных.

5) Разработана модель многоагентной системы обработки БДФЭ, включая модель агентов, модель взаимодействия агентов, роли агентов при взаимодействии. Модель MAC позволяет интегрировать ACO БДФЭ за счет разработки открытой распределенной системы, образованной несколькими взаимодействующими агентами, расширять функциональность системы за счет внедрения новых агентов, реализовать единую БДФЭ.

6) В качестве платформы для реализации многоагентной системы выбрана AgentService. Для устранения ошибок, выявленных при тестировании платформы, AgentService была доработана. Также в нее были добавлены новые компоненты, позволяющие упростить процесс разработки агентов и отслеживать ошибки во время работы платформы.

7) На основе предложенных моделей и алгоритмов разработана система Софи II, реализующая поиск ФЭ, информационное наполнение БДФЭ, синтез ФПД. Система позволяет повысить эффективность работы администраторов БДФЭ, разработчиков систем обработки БДФЭ, а также улучшить восприятие отображаемой пользователю информации о ФЭ.

8) Проведена проверка работоспособности и оценка эффективности системы Софи II на тестовых примерах и при выполнении ряда научно-исследовательских работ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Яровенко В.А., Фоменков С.А. Формирование интегрированной системы обработай структурированных физических знаний с применением мультиагентного подхода // Известия ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 7. - Волгоград, 2009. - № 12. - С. 126-128.

2. Яровенко В.А., Фоменков С.А. Совершенствование модели представления и средств управления массивом данных физических эффектов // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2010. - № 9. - С. 28-31.

3. Яровенко В.А., Фоменков С.А. Особенности применения мультиагентного подхода при разработке системы обработки структурированных физических знаний // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 8. - Волгоград, 2010. - № 6. - С. 132-134.

4. Яровенко В .А., Фоменков С.А. Freeagent-платформа для разработки мультиагентных систем // Известия ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах». Вып. 13. - Волгоград, 2012. - № 4 (91). -С. 164-166.

5. Яровенко В.А., Фоменков С.А. Формирование интегрированной системы обработки структурированных физических знаний с применением мультиагентного подхода // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2012. - № 7. - С. 33-36.

6. Яровенко В.А. Совершенствование модели представления и средств управления массивом данных физических эффектов // Известия ЮФУ. Технические науки.- 2012.- №5. - С 113 -117.

Другие публикации

7. Матлин А.О., Яровенко В.А., Фоменков С.А. Совершенствование процесса синтеза физического принципа действия, модели представления и средств управления массивом данных физических эффектов // Открытое образование: [по матер. XXXVI междунар. конф. IT+SE'09, Ялта-Гурзуф]. - 2009. - Приложение к журн. - С. 141-143.

8. Яровенко В.А., Фоменков С.А. Автоматизированная система формирования банка данных выходных карт физических эффектов // Технологии Microsoft в теории и практике программирования: тез. докл. IV Всерос. конф. студ, аспир. и мол. уч., Москва / Моск. авиац. ин-т (гос. техн. ун-т) [и др.]. - М., 2007. - С. 165-166.

9. Яровенко В.А. Моделирование движения транспорта с использованием мультиагентных систем // Новые информационные технологии: тез. докл. XVI междунар. студенческой школы-семинара. / Моск. гос. ин-т электрон, и матем. (техн. ун-т) [и др.]. - М., 2008. - С. 280-281.

10. Яровенко В.А., Фоменков С.А. Автоматизация процесса формирования банка данных выходных карт физических эффектов // тез. докл. XII региональной конференции молодых

исследователей Волгогр. обл., Волгоград / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2008. - С. 250251.

11. Яровенко В.А. Особенности взаимодействия агентов при моделировании движения транспорта с использованием мультиагентных систем / В.А. Яровенко // Технологии Microsoft в теории и практике программирования: тез. докл. V всерос. конф. студ., аспир. и мол. учёных / Моск. авиац. ин-т (гос. техн. ун-т) [и др.]. - М,, 2008. - С. 43-44.

12. Яровенко В.А. Формирование интегрированной системы обработки структурированных физических знаний с применением мультиагентного подхода // Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте : сб. науч. тр. VI междунар. науч,-практ. конф., Коломна. В 2 т. Т. 1 / Рос. ассоциация искусственного интеллекта [и др.]. -М., 2011. - С. 537-540.

13. Фоменков С.А, Яровенко В.А. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2012615460 от 18 июня 2012г. РФ, МПК (нет). Интегрированная система обработки структурированных физических знаний, ВолгГТУ,- 2012.

14. Яровенко В.А., Фоменков С.А. Применение мультиагентного подхода при интеграции автоматизированных систем обработки физических эффектов в единый комплекс // Труды конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям "IS&IT 12", Дивноморское. В 4 т. Т. 1: тр. конф. "Интеллектуальные системы '12" и "интеллектуальные САПР-2012" / ЮФУ [и др.]. - М„ 2012,- С.186-191.

15. Яровенко В.А., Фоменков С.А. Формирование интегрированной системы обработки физических эффектов с применением мультиагентного подхода // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25: сб. тр. XXV междунар. науч. конф. В 10 т. Т. 5. Секции 8, 9, Волгоград / ВолгГТУ [и др.]. - Саратов, 2012. - С. 64-67.

Подписано в печать 11.01.2013. Заказ № 18. Тираж 100 экз. Печ. л. 1.0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Отпечатано в типографии ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, Волгоград, просп. им. В.И.Ленина, 28, корп. №7.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201355102

ЯРОВЕНКО ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ

ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОБРАБОТКИ СТРУКТУРИРОВАННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ

05.13.12 - "Системы автоматизации проектирования

(промышленность)"

(ВолгГТУ)

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Фоменков Сергей Алексеевич

Волгоград-2013

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ.............................................7

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................8

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ С БАЗОЙ ДАННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ..............................................15

1.1. Представление и автоматизированное использование структурированных физических знаний.........................................................15

1.1.1. Энерго-информационная модель цепей и метод структурных параметрических схем..................................................................................16

1.1.2. Комбинаторный метод поиска принципов действия.......................17

1.1.3. Теория решения изобретательских задач.........................................18

1.1.4. Функционально-физический и компьютерный методы поискового конструирования...........................................................................................19

1.2. Обзор подходов интеграции автоматизированных информационных систем.................................................................................................................27

1.2.1. Постановка задачи и выбор критериев при интеграции информационных систем..............................................................................27

1.2.2. Подходы к интеграции информационных систем...........................31

1.2.2.1. Взаимодействие посредством файловой системы....................31

1.2.2.2. Взаимодействие с помощью общей базы данных....................34

1.2.2.3. Взаимодействие посредством удаленных вызовов процедур. 35

1.2.2.4. Взаимодействие посредством обмена сообщениями...............37

1.2.2.5. Применение многоагентной технологии в решении задачи интеграции информационных систем.....................................................40

1.3.3. Выбор подхода к интеграции автоматизированных систем обработки фонда физических эффектов.....................................................43

1.3 Цель и задачи работы..................................................................................47

ГЛАВА 2. АЛГОРИТМЫ И МЕТОДЫ ИНТЕГРАЦИИ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ БАЗЫ ДАННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ.......................49

2.1. Расширение модели описания физического эффекта.............................49

2.1.1. Представление функциональной зависимости физических величин физического эффекта....................................................................................49

2.1.2. Вычисление участков монотонности................................................54

2.1.3. Вычисление значений функции.........................................................56

2.2. Модификация дескрипторного метода поиска физического эффекта по компонентам вход, объект, выход...................................................................58

2.3. «Гибкая» структура представления описания физического эффекта... 61

2.4. Применение многоагентного подхода для интеграции автоматизированных систем обработки базы данных физических эффектов .............................................................................................................................67

Выводы по второй главе...............................................................................74

ГЛАВА 3. ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОБРАБОТКИ БАЗЫ ДАННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ............................................................75

3.1. Выбор средств реализации автоматизированной системы....................75

3.1.1. Формирование требований к системе и выбор инструментальных средств реализации.......................................................................................75

3.1.2. Выбор инструмента для разработки многоагентной системы.......77

3.2. Архитектура и функциональная структура автоматизированной системы...............................................................................................................80

3.3. Модуль многоагентной системы обработки базы данных физических эффектов.............................................................................................................85

3.4. Модуль администрирования базой данных физических эффектов......92

3.5. Модуль администрирования многоагентной системой.........................95

3.6. База данных физических эффектов..........................................................98

Выводы по третьей главе................................................................................100

ГЛАВА 4. ТЕСТОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМЫ СОФИ II ..........................................................................................................................101

4.1. Оценка эффективности информационного наполнения базы данных физических эффектов......................................................................................101

4.2. Оценка эффективности при разработке нового метода обработки базы данных физических эффектов........................................................................113

4.3. Оценка эффективности усовершенствованного метода поиска по компонентам вход, объект, выход.................................................................114

4.4. Внедрение системы..................................................................................115

Выводы по четвертой главе............................................................................117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................119

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...........................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОПИСАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА «ЯВЛЕНИЕ СВЕРХТЕПЛОПРОВОДНОСТИ КРИОКРИСТАЛЛОВ» С ГИБКОЙ

СТРУКТУРОЙ.....................................................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. СВИДЕТЕЛЬСТВО О ГОСУДАРСТВЕННОЙ

РЕГИСТРАЦИИ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ....................................................136

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. АКТ ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМЫ........................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ОБЩЕСТВЕННОЕ ПРИЗНАНИЕ....................................138

АННОТАЦИЯ

Документ представляет собой диссертацию на соискание степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 «Системы автоматизации проектирования (промышленность)». Работа посвящена повышению эффективности процесса взаимодействия пользователей с базой данных физических эффектов. Предлагаемые решения позволяют повысить эффективность разработки новых и модифицированных методов обработки физической информации, повысить эффективность информационного наполнения базы данных физических эффектов, а также улучшить восприятие отображаемой пользователю информации о физическом эффекте. В работе предложены модели и алгоритмы интеграции систем в единый комплекс, модификации модели описания физического эффекта, модель гибкой структуры представления описания физического эффекта. Предлагаемые модели и алгоритмы реализованы в автоматизированной системе.

ABSTRACT

The paper is a PhD thesis under the specialty 05.13.12 "Computer-aided design (industry)". The work is dedicated to improving efficiency of interaction between users and physical effect database. Elaborated solutions are meant for improving efficiency of the development of new and modified processing methods for informational content of physical data; improving efficiency of information filling into physical effect database; improve user perception of presented physical effect information. The work includes models and algorithms for application integration into a single system, for modification of physical effect description model. The work also includes a model of adaptable presentation structure of physical effect. All the described models are implemented in the system.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

БД - база данных

ФЭ - физический эффект

MAC - многоагентная система

АСО БДФЭ - автоматизированные системы обработки БДФЭ

АСС ФПД - автоматизированная система синтеза ФПД

АИПС ФЭ - автоматизированная информационно-поисковая система по

ФЭ

АС ППФИО - автоматизированная система поддержки процесса формирования информационного обеспечения БДФЭ

CSV - (Comma-Separated Values) текстовый формат, предназначенный для представления табличных данных

SQL - (Structured Query Language) - универсальный компьютерный язык, применяемый для создания, модификации и управления данными в реляционных базах данных

UML - (Unified Modelling Language) унифицированный язык моделирования, используемый для создания объектных моделей информационных систем

XML - (Extensible Markup Language) расширяемый язык разметки (гипертекста), широкой используемый в настоящее время для описания данных и их структур, особенно при организации обмена информацией между различными приложениями и платформами

FIPA - (Foundation for Intelligent Physical Agents) Международная организация для разработки стандартов в области гетерогенных и взаимодействующих агентов, а также систем, основанных на агентах ФПД - физический принцип действия

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время бурное развитие вычислительной техники оказывает сильное влияние на процесс трансформации все большей доли труда из области переработки вещества и энергии в область поиска, хранения, переработки и передачи информации. В связи с чем чрезвычайно актуальна проблема удовлетворения потребностей в информации ученых-исследователей из фундаментальных и прикладных наук, специалистов-практиков (инженеров) из различных отраслей экономики.

В данной работе рассматриваются только физические знания. Физические знания активно используются при проведении научных исследований в различных областях науки и техники (методики исследований, свойства различных классов объектов, реакция объектов на разнообразные физические воздействия и т.п.), в проектировании технических изделий и технологий. Накопленный к настоящему времени объем знаний в области физических наук настолько рассредоточен в различных монографиях, научных статьях, справочниках и энциклопедиях, что является практически необозримым для специалистов конкретных предметных областей. Кроме того, во многих случаях форма представления физической информации затрудняет их непосредственное использование в инженерной деятельности для решения проектно-конструкторских и технологических задач.

Для решения возникших проблем появились разработки по созданию специальных БД физических знаний, в которых физические знания представляются особым структурированным образом (в виде ФЭ), обеспечивающим их удобное использование.

В литературе представлены различные подходы к формализации моделей описания ФЭ, созданию на их основе автоматизированных систем обработки физической информации. Весомый вклад в развитие научного направления, в рамках которого осуществляется структурирование физической ин-

формации, внесли Г.С. Альтшуллер, Г.Я. Буш, В.Н. Глазунов, A.M. Дворян-кин, М.Ф. Зарипов, В.А. Камаев, К.В. Кумунжиев, А.И. Половинкин, С.А. Фоменков, И.Ю. Петрова, 3. М. Шмаков, Г. Голл, Р. Коллер и другие отечественные и зарубежные ученые.

В работе взято за основу направление исследований, проводимых на кафедре САПР и ПК Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ). В рамках данной школы была разработана обобщенная модель описании ФЭ, включающая модель входной информации (входная карта) и модель выходной информации (выходная карта), создан фонд ФЭ, в котором содержится свыше 1200 описаний ФЭ, а также разработаны автоматизированные системы обработки БДФЭ (ACO БДФЭ): автоматизированная система синтеза ФПД (АСС ФПД), автоматизированная информационно-поисковая система по ФЭ (АИПС ФЭ), автоматизированная система поддержки процесса формирования информационного обеспечения БДФЭ (АС ППФИО).

Однако, задача организации удобного и эффективного взаимодействия различного типа пользователей с БДФЭ по-прежнему далека от своего полного решения. Среди наиболее актуальных проблем можно выделить следующие: отсутствие единой БДФЭ; отсутствие специальных инструментов администрирования БДФЭ; использование ACO БДФЭ по отдельности; дублирование функциональности систем; наличие только текстового описания в выходной карте ФЭ, отсутствие в ней графических и символьных изображений, формул, табличных данных; «жесткая» структура представления описания ФЭ.

Целью данной работы является повышение эффективности процесса взаимодействия пользователей с БДФЭ за счет интеграции автоматизированных систем обработки БДФЭ в единый программный комплекс и улучшения восприятия отображаемой пользователю информации о ФЭ. Взаимодействие пользователей с БДФЭ включает в себя совокупность процессов управления БДФЭ администратором системы, реализации новых и модифицированных

9

методов обработки БДФЭ разработчиками системы, выполнения поисковых и других запросов к БДФЭ конечными пользователями системы. В качестве критериев эффективности будем понимать как количественные критерии (время, затрачиваемое на информационное наполнение БДФЭ, внедрение новых видов обработки БДФЭ и т.п.), так и качественные (удобство работы пользователей).

Задачи исследования. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

• анализ существующих моделей описания ФЭ, используемых систем обработки БДФЭ, подходов к интеграции систем;

• модификация модели описания ФЭ с целью интеграции систем в единый комплекс и улучшения восприятия отображаемой пользователю информации о ФЭ;

• разработка «гибкой» структуры представления описания ФЭ;

• разработка моделей и алгоритмов интеграции систем;

• создание интегрированной системы обработки БДФЭ;

• проверка работоспособности и эффективности реализованной системы.

Объектом исследования настоящей диссертации является структурированные физические знания и автоматизированные системы на их основе.

Предмет исследования — процесс взаимодействия пользователей с БДФЭ.

В качестве методов исследования в работе используются методы математического анализа, системного анализа, искусственного интеллекта, теории БД, теории многоагентных систем, объектно-ориентированного проектирования программных систем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• модифицирована модель описания ФЭ за счет включения в нее формализации функциональной зависимости физических величин ФЭ,

которая представляется в виде суперпозиции графических участков.

10

Разработана методика и алгоритм создания набора графических участков функциональной зависимости физических величин ФЭ. Модель позволяет усовершенствовать дескрипторный метод поиска ФЭ по компонентам вход, объект, выход путем реализации запросов конечных пользователей по характеру изменения физических величин (что важно для создания эффективного автоматизированного справочника физико-химических свойств веществ), а также более корректно строить варианты ФПД;

• разработана «гибкая» структура представления описания ФЭ, позволяющая вносить изменения в описание ФЭ с сохранением работоспособности каждой из ACO БДФЭ. В результате изменения, вносимые для одной из систем, не влияют на работоспособность остальных;

• разработана модель многоагентной системы обработки БДФЭ, включая модель агентов, модель взаимодействия агентов, роли агентов при взаимодействии. Модель MAC позволяет интегрировать ACO БДФЭ за счет разработки открытой распределенной системы, образованной несколькими взаимодействующими агентами, расширять функциональность системы за счет внедрения новых агентов, реализовать единую БДФЭ.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов, приведенных в диссертационной работе, обеспечивается использованием апробированных на практике методов теории многоагентных систем, системного анализа, теории баз данных, математического анализа, а также подтверждается результатами проверки работоспособности и эффективности созданной системы на контрольных тестовых примерах.

Практическая значимость и внедрение. Разработана интегрированная автоматизированная система СОФИ II, выполняющая поиск ФЭ, информационное наполнение БДФЭ, синтез ФПД. Софи II реализована на базе многоагентной технологии. Это позволяет объединить ACO БДФЭ в единый ком-

11

плекс, упростить процесс разработки новых и модифицированных видов обработки БДФЭ. Софи II предоставляет инструментарий для администрирования БДФЭ, благодаря чему стало возможным вводить графическую информацию, формулы, табличные данные, форматированное текстовое описание.

Использование Софи II позволяет повысить эффективность работы администраторов БДФЭ, разработчиков систем обработки БДФЭ, а также улучшить восприятие отображаемой пользователю информации о ФЭ.

Софи II зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности» Федеральной службы по интеллектуальной собственности РФ, прошла апробацию и внедрение в ООО «Сингулярис Лаб» в рамках исследовательского проекта по компьютерному моделированию геофизических зондов, что отражено в соответствующем акте. Результаты работы использовались при выполнении Государственного контракта Министерства образования и науки РФ № 16.647.11.1025 от 2011 года «Создание базы физико-технических знаний и прогнозирование на ее основе появления новых нанотехнических систем». По материалам работы получено несколько дипломов на Всероссийских и региональных смотрах-конкурсах работ молодых ученых.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

• формализация компьютерного представления функциональной зависимости физических величин ФЭ;

• усовершенствованный дескрипторный метод поиска ФЭ по компонентам вход, объект, выход с учетом функциональной зависимости физических величин ФЭ;

• «гибкая» структура �