автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Интеллектуальная компьютерная среда тепловой обработки двигательных установок малой тяги

СИБИРСКАЯ АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

на правах рукописи

ТОЛСТЕЛЬ ОЛЕГ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ СРЕДА

ТЕПЛОВОЙ ОТРАБОТКИ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК МАЛОЙ ТЯГИ

05.13.14 - системы обработки информации и управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Краев М.В.

Красноярск 1998

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ПО - программное обеспечение

КА - космический аппарат

ДУ МТ - двигательная установка малой тяги

ДБ - двигательный блок

БХП - блок хранения и подачи

ДУК - двигательная установка коррекции

ДУОС - двигательная установка ориентации и стабилизации

СК - стартовый комплекс

УВ - участок выведения

ОФ - орбитальное функционирование

ТЗ - техническое задание

ТВИ - тепловакуумные испытания

ЭВТИ - экранно-вакуумная теплоизоляция

УТ - указания технические

УТК - универсальный тепловой конструктор

ИКС - интеллектуальная компьютерная среда

ИИС - интеллектуальная информационная система

РСС - расширенные семантические сети

ОЕЯ - ограниченный естественный язык

ОГЛАВЛЕНИЕ Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1. ОБЩАЯ КОНЦЕПЦИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ СРЕДЫ. 12

1.1. Обзор положения сложившегося в области информационных технологий и анализ перспектив развития аппаратного и программного обеспечения. 12

1.2. Обект, об ем, последовательность и особенности тепловой отработки ДУ КА на примере сложившейся в ОКБ "Факел". 20

1.3. Использование компьютера в технологическом процессе и замыкание информационных потоков. 25

1.4. Описание компьютерной среды тепловой отработки ДУ МТ для ОКБ "Факел" как совокупности составляющих ее элементов и многозадачной операционной системы. 27

1.5. Обобщенная концепция компьютерной среды. 28

2. УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ТЕПЛОВОЙ КОНСТРУКТОР. 32

2.1. Анализ существующих средств теплового моделирования. 32

2.2. Универсальный Тепловой Конструктор как совокупность программ его составляющих и средств их интеграции. 36

2.3. Вспомогательные программы подготовки данных. 38

2.4. Программа расчета сложного нестационарного теплообмена в многоэлементных конструкциях блоков ДУ методом изотермических элементов. 49

3. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА. 68 3.1. Выбор модели искусственного интеллекта. Продукции, фреймы и семантические сети. 70

3.2. Расширенные семантические сети, язык ДЕКЛ и обмен на ограниченном естественном языке. 75

3.3. Модель металогической области знаний тепловой отработки ДУ МТ. 96

3.4. Активность системы в приобретении новых знаний и устранении противоречий в имеющихся (в диалоге с человеком), при постоянной работе системы в многозадачном режиме. 108

3.5. Речевое общение с системой. 112 4. МОНИТОРИНГ ИСПЫТАНИЙ. 116

4.1. Общие особенности структуры протоколов испытаний. 116

4.2. Работа с данными хранящимися на диске. 119

4.3. Работа в режиме реального времени. 123 ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 126 ЛИТЕРАТУРА. 128 ПРИЛОЖЕНИЕ. Акт о внедрении в ОКБ «Факел» результатов диссертационной работы. 136

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Разработка специализированного программного обеспечения, поддерживающего ежедневную деятельность типового инженера-конструктора ( в данном случае специалиста ведущего полный цикл тепловой отработки двигательных установок летательных аппаратов, в частности систем коррекции, ориентации и стабилизации КА), является чрезвычайно важным направлением. Это позволит ускорить процесс отработки, улучшая при этом качество выполнения отдельных этапов и уменьшив количество сотрудников занятых в процессе.

Объект исследования. Объектом исследования в диссертационной работе стала совокупность программных средств, включающая специализированные программы расчетов тепловых режимов блоков ДУ, конструкторские программы создающие трехмерные твердотельные модели деталей блоков, программно-аппаратные средства создания электронного документооборота ( в т.ч. текстовые редакторы, программы распознавания текста и речи), операционные системы а также языки программирования и системы искусственного интеллекта.

Таким образом целью диссертационной работы является теоретическая разработка концепции и практическая реализация интеллектуальной компьютерной среды автоматизированного рабочего места инженера, занимающегося тепловой отработкой двигательных установок малой тяги систем ориентации и стабилизации космических аппаратов. Данная концепция

отражает самые передовые существующие на сегодняшний момент достижения в области компьютерных технологий и дает прогноз на ближайшие годы. Она является фундаментом на основе которого можно строить частные реализации автоматизированных рабочих мест (максимально используя представляемые компьютерной техникой возможности). Работа является продолжением и развитием исследований ведущихся на протяжении последних двух десятилетий в ОКБ "Факел".

Методика исследования. Методика исследования заключается в анализе существующего на сегодняшний момент порядка тепловой отработки ДУ МТ и использования компьютерной техники на всем протяжении этой цепочки. Выявляются достоинства и недостатки в существующих инструментальных средствах. Предлагаются доработки, учитывающие достоинства и устраняющие недостатки. Дорабатываются существующие и создаются новые элементы информационной инфраструктуры. Методика исследования базируется на методе изотермических элементов в задачах сложного нестационарного теплообмена, на аппарате расширенных семантических сетей и систем организации общения на естественном языке, а также на современных информационных и программных технологиях. Программная реализация системы выполнена на языках Visial С++ , FORTRAN и ДЕКЛ.

Научная новизна работы обусловлена тем, что ряд нововведений и усовершенствований в традиционном комплексе программного окружения специалиста-инженера приводят к появлению качественно нового объекта - интеллектуальной компьютерной среды. Научную новизну работы составили:

1) Созданная концепция построения автоматизированных рабочих мест специалистов-инженеров в области отработки изделий космической техники.

2) Универсальный тепловой конструктор - УТК - компонент ИКС, являющийся реализацией передовых идей и технологий на сегодняшний день в области программирования и тепловых расчетов данного класса обЛектов.

3) Интеллектуальная информационная система - ИИС - компонент ИКС, являющийся реализацией передовых идей и технологий на сегодняшний день в области программирования и создания баз знаний с помощью технологий искусственного интеллекта.

Практическая значимость работы автора в том, что в результате проведенных исследований в ОКБ "Факел" создано автоматизированное рабочее место инженера нового типа.

Применение новейших информационных технологий позволяет ускорить и упростить процесс подготовки и проведения тепловых расчетов, работу со входящими и исходящими документами, составление отчетов, что в конечном итоге ускоряет про-цесс отработки изделий космической техники. За счет ориенти-ровки на использование персональной вычислительной техники типовой конфигурации, результаты работы подлежат массовому внедрению, использованию и тиражированию.

Часть специализированного ПО вошедшего в ИКС, использовалась автором при работе над ДУ'Купон", "Галс", при работе над блоками использованными позже в ДУ"Экспресс", "Sesat".

Апробация работы. Элементы разработанной системы описаны в отчетах по НИР ОКБ "Факел" за 1990,1992 годы, в сообщении в сборнике "PKT. Двигательные системы и установки"

(1991 год), в тезисах доклада конференции "Проблемы техники и технологий XXI века" в Красноярске ( 22-25 марта1994-го года). Концепция и пути реализации проекта обсуждались на заседании ученого совета ОКБ "Факел" и семинарах кафедры теплофизики Калининградского университета, кафедры двигателей летательных аппаратов Сибирской Аэрокосмической академии. Некоторые фрагменты системы были методически проработаны и созданы в ходе руководства производственной и дипломной практикой студентов ХАИ и КГУ, а также в при чтении спецкурса студентам специализации "теплофизика" КГУ.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Исследование и разработка схемных и конструктивных решений, обеспечивающих создание реактивных двигательных установок малой тяги для ориентации и стабилизации космических аппаратов и изменения траектории их полета. // Тема: "Развитие методики комплексной оптимизации." НТО (промежуточный). НИР 204-88010; Л-11003; ОКБ "Факел", - Калининград, 1989.-26 с.

2. Результаты расчетно-экспериментальной отработки образца однокомпонентного каталитического двигателя 21Н4-02 на ВПВ. // 21Н62.65.НТО; Л-11220; ОКБ «Факел», - Калининград. 1990.

3. Исследование вопросов создания и совершенствования электрореактивных двигателей малой тяги различного типа для коррекции орбиты и ориентации космических аппаратов.// Часть 2. НТО (итоговый). НИР 204-8801.627.166; Л-11437; ОКБ "Факел", -Калининград, 1990.

4. Результаты расчетно-экспериментальной отработки однокомпонентного каталитического ЖРД МТ 21Н4-02 на ВПВ и

двухкомпонентного ЖРД МТ 21Н4-04 на топливе ВПВ+РГ-1//. 21Н.621.192.НТО; Л-11442;ОКБ «Факел», - Калининград, 1990.

5. Толстель О.В.,Счастливый С.Н.,Старостович В.А. Программа для персонального компьютера, моделирующая нестационарный процесс теплообмена при естественной конвекции с учетом излучения.// В сб. Ракетно-космическая техника. Серия IV. Ракетные двигатели и энергетические установки. М., ГОНТИ - 8, 1991.

6. Толстель О.В. Элементы компьютерной среды тепловой отработки двигательных установок малой тяги.// В сб. тезисов докладов научно-технической конференции "Проблемы техники и технологий XXI века", - Красноярск, КГТУ, 1994.

7. Краев М. В., Толстель О.В. Тепловая отработка двига-тельных установок малой тяги на основе информационной технологии.// В сб. "Материалы, технологии, конструкции". Красноярск, САА, 1995 . стр 190.

Структура и об"ем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Об'ем работы: текста - 136 стр., 16 рисунков,7 таблиц. Библиография - 86 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы, определены задачи диссертации, дается краткое содержание работы. В первой главе диссертационной работы описывается общая концепция интеллектуальной компьютерной среды автоматизированного рабочего места инженера - конструктора. Во второй главе подробно рассматривается Универсальный Тепловой Конструктор (УТК), как составная часть данного автоматизированного рабочего места и прототип фрагмента специализированного программного обеспечения вообще.

В третьей главе подробно рассматривается Интеллектуальная Информационная Система (ИИС) являющаяся конкретной реализацией технологии искусственного интеллекта и выполняющая в некоторой степени роль дополнительного сотрудника.

В четвертой главе рассмотрены вопросы импорта данных протоколов испытаний со стендового оборудования. В заключении сформулированы основные результаты работы.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Интеллектуальная компьютерная среда, как ансамбль составляющих ее программ общего, прикладного, специального и интеллектуального назначения, с учетом взаимной многоплановой интеграции, как образец автоматизированного рабочего места качественно нового уровня.

2. Предложенная концепция и методика построения автоматизированных рабочих мест для специалистов в области проектирования и отработки изделий космической техники.

3. Универсальный Тепловой Конструктор как компонент Интеллектуальной Компьютерной Среды, представляющий собой систему большой степени сложности (имеющую при этом максимально простой и дружественный интерфейс), позволяющую с минимальными затратами времени создавать тепловые модели подробной детализации и проводить с их помощью высокоточные вычислительные эксперименты.

4. Интеллектуальная Информационная Система как компонент Интеллектуальной Компьютерной Среды,

обеспечивающая при условии замыкания информационных потоков полноту информации по всем вопросам тепловой отработки (на основе текстов отчетов, тех.справок и пр.) и позволяющая широкому кругу сотрудников конструкторского бюро ( как специалистам - тепловикам так и смежникам) получать ответы на вопросы по тепловой отработке на ограниченном естественном (русском) языке с использованием речевой технологии .

1. ОБЩАЯ КОНЦЕПЦИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ СРЕДЫ.

В первой главе диссертационной работы описывается общая концепция интеллектуальной компьютерной среды автоматизированного рабочего места инженера - конструктора. Концепция строится по итогам анализа существующего на сегодня положения в области программного и аппаратного обеспечения, информационных технологий. При этом делается попытка на основе существующих тенденций и прошлого опыта спрогнозировать перспективу в этой области на ближайшие два-три года.

1.1. Обзор положения сложившегося в области

информационных технологий и анализ перспектив развития аппаратного и программного обеспечения.

В последние годы наблюдается бурное развитие

информационной отрасли. Идет быстрая эволюция персональных компьютеров в плане увеличения быстродействия и

наращивания возможностей. Совершенствуются периферийные устройства, развиваются средства телекоммуникаций, компьютерные сети. При этом постоянно снижаются цены, делая всю эту технику доступной. Одновременно с этим идет развитие соответствующего программного обеспечения. При этом можно отметить следующее. В аппаратной части направления развития более четко выделены, дискретны. Это разработка процессоров, материнских плат, микросхем памяти, устройств печати, сетевых

карт, модемов и т.д. На каждом участке конкурируют несколько фирм-производителей, обеспечивая постоянное развитие техники данного класса. Типовое рабочее место специалиста использующего компьютерную технику оснащается как правило конечным типовым набором:

КОМПЬЮТЕР + ПРИНТЕР + МОДЕМ + СЕТЕВЫЕ СРЕДСТВА + СКАНЕР + СРЕДСТВА МУЛЬТИМЕДИА

Иногда добавляются плоттер, дигитайзер, некоторые специализированные устройства.

В области же программного обеспечения пространство решений непрерывно [1...6]. Здесь имеется ввиду следующее. На каждом конкретном рабочем месте, специалист работающий с компьютером создает уникальное сочетание используемых программных средств. Конечно, в большом количестве случаев используется лишь малый перечень универсальных программ, получивших широкое распространение: текстовые редакторы, электронные таблицы, базы данных, программы распознавания текстов и посылки/приема факсов. Однако велика доля специализированных рабочих мест специально разработанных и написанных на различных алгоритмических языках. Тому примером могут служить бухгалтерские и экономические пакеты, программы обработки путевых листов и учета абонентов в ЖЭКах, на телефонных станциях. Такое программное обеспечение пишется под заказ коллективами опытных программистов. При этом они стараются охватить весь спектр действий оператора, предусмотреть некоторый сервис. Как правило такие операторы на своем рабочем месте пользуются исключительно данной

программой, не понимая порой элементарного строения операционной системы компьютера.

Но существуют отрасли деятельности, в которых принципиально невозможно предусмотреть в одной программе все потребности специалиста. В таких случаях, например в конструкторских бюро, инженер-специалист в предметной области, самостоятельно создает свое автоматизированное рабочее место. И в этом АРМ-е наряду с широко распространенными коммерческими программными продуктами, используются программы

собственной разработки, решающие необходимые для данного специалиста частные задачи. Эти программы очень важны, но при этом написаны на низком уровне, вызванном непрофессионализмом в программировании и отсутствием свободного рабочего времени на изыскания в данной области. Здесь обнаруживается противоречие между высочайшим уровнем развития компьютерной техники, высоким уровнем и большими возможностями существующих в мире программных продуктов и низким уровнем использования этой техники в большом числе случаев. В частности это характерно для космической отрасли, в том числе и в ОКБ "Факел". Экономист делающий расчеты с помощью последней версии электронной таблицы "EXCEL" и конструктор делающий расчеты с помощью примитивной программы написанной на "Бэйсике" образца 80-х годов - такова сегодняшняя реальность. Кроме вышеупомянутого низкого уровня в программировании, сегодняшний инженер-конструктор отстает также в общих вопросах компьютеризации. В силу отмеченного ранее дефи