автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Исследование и разработка подсистемы САПР "Согласование технического задания"

КЗ о а

На правах рукописи

КОЗЕНКО Сергей Леонидович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ САПР "СОГЛАСОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ"

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1998

Работа выполнена в Сатл-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения.

Научный руководит ель: заслуженный деятель науки н т ехпики РФ,

доктор технических наук, профессор Сольницев Р.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дмитревич Г.Д.

кандидат технических каук Пресняк A.C.

Ведущая организации: ОКБ "Электроавтоматика",

г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится "22 " де/саЗря 1998 г. в /5" час. на заседании диссертационного совета К 063.21.01 при Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул.Б.Морская, 67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан НОЯЪрЯ 1998 г.

Ученый секретарь / ^___--—"

диссертационного совета V

канд. техн. наук, доцент ^f* ■ w \ Б.А.Марков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Лкту&чьность работы. Повышение эффективности производства и качества выпускаемой продукций невозможно без внедрения и постоянного развития систем автоматизированного проектирования (САПР) В то же время трудиоформалнзуемые этапы процесса проектирования (ПИ) плохо поддаются автоматизации и процесс принятия решений на них целиком лежит на проектировщике. Таким образом, BO'jHiiKaci следующее противоречие- с одной стороны, сокращение сроков и повышение качества проектных работ требуют автоматизации как можно большего числа зтапса проектироаания. а с другой сторонн, сложность азтоматизации этапов проектирования, относящихся к трудноформализуемым в силу их недостаточной определенности. ке позволяет успешно решать эти задачи.

Первые попытки формализации процессов проектирования относятся к середине 70-х годов, когда произошло резкое нарастание процессов автоматизации на основе информационной технологии, охватившее не только промышленность, но и банковское дело, торговлю, сферу обслуживания и т.д. Работы этого периода, в том числе Р.И.Солъницеза, В.Хубки, К.Д.Жука и др., отражали общую постановку задач формализации проектных процессов и их моделирования.

В начале 80-ч годов появились работы, направленные не только на построение моделей ПП с целью его анализа, но и на решение задач синтеза, в том числе и автоматизированного. Данный подход к описанию ПП получил развитие в работах Р.И.Солыищева, Ж.Энкзрначчо, Э.Шлехгендаля. В.В.Городецкого. Ю.С.Зубкова, Г.В.Ордовского и др. Формализация ПП путем имитационного моделирования была предложена В.И.Аиисимовым и Ю.Н.Стрельниковым.

В то же время автоматизация ПП на ранних этапах проектирования. в частности на этапе согласования технического задания (ТЗ), встречает значительные затруднения и требует использования нетрадиционных. методов формализации процессов принятия решений. Поэтому данный этап до настоящего времени почти не автоматизирован и осуществляется вручную специалистами в области управления, Заказчиком и Исполнителем, выступающими в роли лиц, принимающих решение (ДПР). Одной из основных задач, решаемых па этом этапе, является "экспрес-сценка" принципиальной реализуемости ТЗ силами данного проектного предприятия, ч то связано в первую очередь с необходимостью анализа имеющихся ресурсов (наличие аналогов на разработку, количество специалистов, уровень их квалификации, уровень автоматизации проектных процедур и т.д.) и оценки возможных вариантов организации ПП, исходя из ожидаемой трудоемкости проектных работ. Процесс этот длительный, трудоемкий, требующий

значительных интеллектуальных затрат от всех его участников, особенно б условиях усложнения проектов и ужесточения требований к срокам их реализации.

Из сказанного следует очевидная необходимость усовершенствования труда ЛПР на данном этапе проектирования путем частичной автоматизации их интеллектуальной деятельности, т.е. передачи ЭВМ некоторых функций по принятию решений. Основанием для этого является то, что у опытного руководителя проекта и его консультантов обычно имеются эвристические планы разрешения ситуаций, возникающих в процессе согласования ТЗ. Задача состоит лишь в том, чтобы каким-то образом формализовать эти эвристики. Последнее обстоятельство требует привлечения таких средств и методов, как семиотическое моделирование и использование теории нечетких множеств. Эти методы могут быть положены в основу построения специализированной системы поддержки принятия решений (СППР), которая, являясь составной частью САПР предприятия, позволит Проектировщику оперативно оценивать возможности проектного предприятия по реализации ТЗ, эффективно устранять противоречия, возникающие между ним и Заказчиком.

К настоящему моменту опыт создания подобных систем для этапа согласования ТЗ практически отсутствует. В связи с этим особую актуальность приобретает задача разработки формальных средств построения СППР, решению которой и посвящена данная диссертационная работа.

Цепью работы является разработка математического, информационного, лингвистического и программного обеспечений подсистемы САПР, позволяющей автоматизировать часть интеллектуальной деятельности человека по согласованию ТЗ в процессе проектирования сложного объекта.

Объектом исследования в диссертационной работе является процесс оценки реализуемости ТЗ силами конкретного предприятия, основными составляющими которого являются процедуры поиска аналога проектируемого изделия и экспресс-оценка затрат на проектирование.

Предметом исследования являются вопросы автоматизации процесса принятия решений при согласовании ТЗ на основе совместного использования семиотической и имитационной моделей ПП.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи-.

- анализ существующих подходов к автоматизации труднофор-мализуемых проектных процедур ПП;

- формализация начальных этапов - возможности, подходы, предложения; структура нодсиаемы САПР "Согласование технического задания":

- исследование и разработка математического обеспечения подсистемы:

- исследование и разработка информационного обеспечения подсистемы;

- исследование и разработка лингвистического и программного обеспечений подсистемы:

- применение разработанных средств на начальных этапах проектирования сложного объекта (на примере проектирования бортовой цифровой вычислительной машины).

Методы исследования. В работе использованы методы искусственного интеллекта, элементы теории нечетких множеств, теории графов, методы имитационного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем.

I - В области создания САПР автором разработана подсистема САПР, позволяющая в значительной степени сократить этап согласования ТЗ за счет автоматизации наиболее трудоемких процедур: процедуры поиска аналога объекта проектирования (ОП), процедуры опенки реализуемости ТЗ и процедуры выбора предпочтительного варианта организации ПП. В основу математического обеспечения разработанной подсистемы, в отличие от аналогичных разработок, положен принцип единого формализованного описания процесса проектирования, объекта проектирования и процесса принятия решений.

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

3. В области построения и работы с базами знаний предложен способ организации базы знаний (БЗ). базирующийся на раздельном использовании базы экстенсиональных знании (БЭЗ) и базы интенсиональных знании (БИЗ) и ориентированный па систему программирования (СП) ПРОЛОГ, что позволяет обрабатывать БЗ больших объемов, предотвращая "комбинаторный взрыв".

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

- разработаны алгоритмы и программы, позволяющие: автоматизировать процедуру поиска аналога ОП в БЗ предприятия, в случае

падичия нескольких претендентов на аналог - производить ранжирование объектов по степени аналогичности проектируемому; автоматизировать процедуру экспресс-оценки реализуемости ТЗ с учетом имеющихся ка предприятии ресурсов, стоимости и сроков проектирования: автоматизировать процедуру перебора возможных вариантов организации ПП;

- разработана автоматизированная процедура многокритериального выбора наиболее предпочтительного варианта организации ПП, в основу которой положен оригинальный алгоритм обработки матрицы ранжированных оценок.

- разработана программная реализация входного языка моделирования, позволяющего строить легкомодифицируемые программы, значительно сократить время на заполнение БЗ и обеспечить режим работы пользователя, адаптивный уровню его подготовки.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались н обсуждались на Второй Всесоюзной конференции "Системы автоматического управления" (Москва, МАЙ, 1988), XVII и XVIII межотраслевых научно-технических конференциях, посвященных памяти Н.Н.Острякова (Санкт-Петербург, 1990, 1992), Международных конференциях "Приборостроение в экологии и безопасности человека" (Санкт-Петербург, 1996, 1998), общеинститутских научно-технических конференциях (Санкт-Петербург, ГУАП, 1991-1997).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Основная часть представлена на 155 страницах, из них 19 страниц занимают рисунки и 1 страницу - таблица. Библиографический список содержит 117 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, определены предмет и объект исследования.

В первой главе проведен анализ процессов проектирования нескольких классов сложных объектов, выявлены особенности начальных этапов проектирования и, в частности, этапа согласования ТЗ. Обоснована необходимость автоматизации этого этапа и определены задачи, подлежащие автоматизации. Приведен обзор существующих

под.чодов к автоматизации труднофоршпюусмых этапов проектирований и сделан вывод о том, что этап согласования ТЗ является на настоящий ме.меш наименее автоматизированным этапом ШТ.

В работе предлагается осуществлять автоматдаацшо этапа согласования ТЗ посредством использования специализированной системы поддержки принятия решении (СПГГР), являющейся подсистемой интегрированной САП? предприятия и назначение которой состоит в следующем: производить экспресс-оценку реализуемости ! с учетом ресурсов, имеющихся на предприятии, предлагать пользователю варианты возможных изменений ь структур? МИ или требований ТЗ в случае, когда имеющихся ресурсов недостаточно для выполнения требований ТЗ по стоимости или срокам проектирования.

В самом общем виде любая реализация СППР содержит две основные составляющие: информационную модель (ИМ) и модель принятия решений (МПР) (рис.1).

г —с:— —о

7Ш:о«ой пп

Рис. 1

Исходя из задач, которые предполагается решать с помощью СППР, в состав ИМ должны входить следующие компоненты: формализованное представление обсуждаемого варианта ТЗ (модель ТЗ -Мтэ), формализованное представление объектов - аналогов (модель аналога - Ма), формализованное представление ресурсов предприятия

- S-

(модель ресурса - Мрег), формализованное представление типового процесса проектирования (модель процесса - Мпп).

МНР должна включать в себя формализованное описание (Мина) процедуры поиска объектов - аналогов (ППА) и формализованное описание (Мпор) процедуры экспресс-оценки реализуемости (ПОР) ТЗ силами конкретного проектного предприятия. Результатом работы ППА будет определение изменяемой и неизменяемой частей ТЗ. С учетом этих результатов с помощью ПОР производится предварительная оценка затрат на реализацию данного ТЗ. При этом выявляются "конфликтные" ситуации, то есть ситуации, связанные с выполнением тех пунктов ТЗ, по которым нет готового решения. В этом случае возникает необходимость предусмотреть возможность выбора варианта разрешения конфликтной ситуации, в частности, путем изменения структуры типового ГШ. При этом окончательный выбор наиболее предпочтительного варианта ПП осуществляется с помощью имитационной модели (ИММ).

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

IM = < Мтз, МА, Мпп, Мрсс > и модели принятия решений

SP = < Мппа , Мпор > некоторой специальной структуры - ситуационного модуля -

Gi

SUM = IM х SP

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

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

Во второй главе обосновывается целесообразность использования методов семиотического моделирования при построении ИМ и МПР. Практическим обоснованием реализуемости такого подхода

являе.-ся разработка моделей представления знаний (МПЗ), отражающих опыт проектировщика по согласованию ТЗ на начальном этапе проектирования, а также процедур формирования и преобразования .»тих знаний. Разработаны модели представления декларативных знаний хм ИМ. то есть модели Мт$, Ма, Мин и М^« в виде семантической cent специального вида - семантического графа (CP).

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

V эй, а! е М 3 п\ = < Pi, Rj > {ak,a»)eRj Pi(ak,ai)=l .

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

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

Sm = <Mm.Pm> . (i)

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

Re®S,\i = < М«м , г®м > , (2)

где МГОм - множество понятий, используемых для описания i - го варианта компоненты ИМ: г<0м- множество семантических отношений, устанавливаемых на M(iKi.

Поставив в соответствие каждому из отношений совокупность знаний, описывающих это отношение, и задав формально структуру сети, получим процедуру, позволяющую на всем множестве отношений {Pj} , описывающих предметную область, производить цел си а правленный выбор совокупности отношений {гу} под решаемую задачу. Формирование модели осуществляется с использованием следующего важного свойства СГ. Если описание предметной области задается посредством определения множества интенсиональных отношений

{Р)}, имеющих место между понятиями, описывающими эту предметную область, то его можно представить некоторым семантическим 1рафом 8С. Данный СГ имеет вершины следующих типов: функциональные (Г), объектные (М), признаковые (П), именные (К) и предикатные (Р). Каждой предикатной вершине приписывается имя п -местного интенсионального отношения Р)(\1...хг.), задающего связь между соответствующими вершинами остальных типов. Каждой формуле исчисления предикатов первого порядка, имеющей вид конъюнкции литералов, можно поставить в соответствие некоторый СГ, и напротив, каждому СГ соответствует формула указанного вида, истинная тогда и только тогда, когда выполняются все отношения, определенные на данном СГ, то есть тогда, когда истинны все Р;(х1,..хп), определенные на функциональных, объектных и признаковых вершинах.

Так СГ, изображенному на рис.2, соответствует формула Ф следующего вида

ф = = (& & (& Р^аь.Лк)) & (& РМ)) , (3)

• I ¡1

где Ь, 1 = 1..1 - термы, соответствующие признаковым вершинам; ^ , | = 1..к - термы, соответствующие объектным вершинам; Р') - характеристические предикаты 1БА - множеств; Ь((л..Лк) - предикат, истинный на тех наборах значений термов 1ь.Дк , соответствующих объектным вершинам графа БС , для которых одновременно выполняются все отношения, определенные на БС .

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

На первом этапе из БЗ производится выбор нужной совокупности интенсиональных отношений в соответствии с решаемой задачей, то есть формируется модель вм . Далее, с помощью специальной процедуры совмещения из БД производится выбор нужных данных. В результате получаем реализацию Ле®8м модели ¿м вида (2).

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

- Г;

О

Рис. 2

Кроме того, использование предлагаемого подхода к построению МП З позволило достаточно эффективно организовать процедуру поиска аналога проектируемого объекта.

Во второй главе приводится также описание компонент информационного обеспечения СГ1ПР. поддерживающего следующие режимы работы с системой: получение решений поставленной задачи; наращивание знаний моделью; получение знании от модели. Для успешного осуществления этих режимов разработан человеко-машинный интерфейс, благодаря которому пользователь получает возможность общаться с ЭВМ посредством инициации запросов на естественном языке.

В третьей главе проведена формализация процедуры поиска аналога (ППА) и процедуры оценки реализуемости ТЗ (ПОР). В основу формализации даных процедур положен тот же принцип, что и используемый при построении модели декларативных знаний.

Формализация ППА. Каждый ОП характеризуется определенной совокупностью элементов (структурой) и совокупностью параметров (технических характеристик). Исходя из этого, работу ППА можно представить в виде следующих этапов:

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

- определение степени близости по значениям технических характеристик;

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

Формально задача поиска аналога может быть сформулирована в следующем виде

<2м® = < ие('вЛм , ВеГ'&гс , Р (КеВД'м , Ке«5-п) > , (4) где КеОД^м - реализация МПЗ об объекте, претендующем на роль "аналога" ; 14е©8тз - реализация МПЗ об ОП в соответствии с требованиями ТЗ, (¡»м® - ситуация, фиксирующая результат работы ППА; Р(...) - предикат, по значению которого оценивается этот результат: Р=1 - "аналог обнаружен"; Р=0 - "аналог не обнаружен", то есть ситуация определяется как "конфликтная".

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

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

Как следует из (4), основной задачей ППА является "сравнение" описаний (моделей) объектов, хранящихся в БЗ (НеОД"м) и описания (модели) объекта проектирования, заданного в ТЗ (КеОДп). Так как обе эти модели представляются в виде СГ, то задачу поиска аналога можно сформулировать как задачу распознавания на множестве структур - семантических графов - семантического графа, сходного с заданным.

Используя сформулированные зыше свойства СТ. данная задача-решается с помощью специальной продукционной системы, состоящей из совокупности логических правил вида

i"'|(N5i",N'!.Ti) Ä N'2 т>) & P^Nb, N'j.n) -»Р^П1!, if1:, П'з)

P«*N3J, Vi.«) Л P"i(.NJ:, N,) Р;4П2!, IIb) P^ifN1!, NVn) & P«K-N5., NVn) -> iM'Vu П-Ъ)

Рш(Пч. Пи, Пи) -> РЧ(Пм, II1 г, IIb) (5)

Pinin-i, №1) П2:)

PtaflPi, IPi) -» Р-МП-*!, 1Р2) Р'цП'ь ПЧ. П1 з) & РУП-1, ПЪ) & Р3,(П3ц IPi) -> Pa(Mi, М2, Мз) Ра(Мь М:, Мз) & Рт.\(Объект1) -> Ра„тх(Объект1, ТЗ) Данная продукционная система реализует процедуру сравнения двух СГ - SGoowri и SGn. Истинность предикатов, стоящих в левой части первых трех правил, определяется фактом совпадения значений параметров объекта - аналога и требований к техническим характеристикам ТЗ. Остальные правила служат для определения объектов -претендентов на аналог, имеющих совпадающую структуру с ОГ1. Истинность предиката Ра_т\-(0<5ъект1, ТЗ) означает, что аналог обнаружен. Невыполнение какого-либо из логических правил (5) приводит к тому, что соответст вующий предика г. ст оящий в правой части этого правила, становится ложным. Вследствие этого ложен и предикат Pa.;i\(Объект 1, ТЗ). Фиксируется ситуация "аналог не обнаружен" и устанавливается причина, которая привела к такому результату.

Поскольку ситуация наличия полного аналога крайне редка и не представляет сложности для реализации ПП, а в БЗ может храниться несколько претендентов на аналог, в различной степени отличающихся'от ОП, встает задача поиска наиболее подходящего варианта.

В работе задача поиска аналога в случае наличия нескольких претендентов решается с использованием элементов теории нечетких множеств, в частности, с использованием такой характеристики как функция принадлежности. В качестве функции принадлежности р используется я-функция р(х)=я(хЛ,х'), что позволило организовать ее компактное хранение в памяти ЭВМ. Кроме того, заданием значений X и х' для каждого из сравниваемых парамегров, учитывается ''вес" этого параметра при определении степени аналогичности объекта-претендента и ОП. Под степенью аналогичности j-ro объекта по i-му параметру хц понимается значение функции принадлежности

следующего вида

Hj(Xij / Xij ТЗ) = n(Xij , fajjn ,Xij_Ti) .

Учнтывая тот факт, что Гце(0,1| и, кроме того, "вес" каждого из параметров учтен заданием X соответствующей функции принадлежности, мерой аналогичное!и ]-го объекта по всем я параметрам может служить следующая величина

1

П =- I Гц

п !=!

Таким образом, если ввести в рассмотрение лингвистическую переменную рд - "аналог объекта" с базовыми значениями а! -"аналог" и аг - "не аналог", то для определения аналога можно сформулировать следующую систему нечетких высказываний < ЕСЛИ Ьь ТО рА> есть сс>> < ЕСЛИ НЕ ОьТО рл! есть ш> где В) - четкое высказывание вида < г'; есть К > , 11 = шах{п}.

Если далее поочередно исключать объекты, для которых Ра! есть си , и рассматривать оставшиеся, то получим ранжированный ряд объектов, которые могут быть использованы как аналоги ОП. Полученные значения гу и п используются в качестве составляющих весов признаковых и объектных вершин соответствующих СГ.

Процедура ПОР. Исходной информацией для работы ПОР является информация с выхода ППА, модель типового ПП и модель ресурсов предприятия.

Модель типового ПП строится аналогично модели ОП в виде СГ, имеющего в этом случае вид мультиграфа 8Сип, которому соответствует формула исчисления предикатов следующего вида Фпп = & Рэи_1 & Рвп к & Рун i & Рпп(Объект МО ,

■ к I ]

где ¡={ТЗ,ТП,РП,ЭП,00,И} - этап проектирования; к={СТР,ФЛ,СХ,ЭБ,К} - вид проектирования; 1={0,Б,ФУ,Д} - уровень иерархии; ]=1..п, п - количество элементов ОП. Используя данную модель, можно достаточно просто задавать различные варианты организации ПП, подлежащие оцениванию с точки зрения затрат на проектирование, с помощью задания значений предикатных вершин Рэпз, Рвл_к , Ру|м . В соответствии с этим анализируется та модель ПП, для вызова которой Рпп = 1 .

Модель ПП в свою очередь определяется как впп = < Бпр > , где вор - модель проектной процедуры, входящей в ПП.

Семантический граф ввпр, являющийся графическим изображением модели вир, имеет объектные вершины трех типов: вершины, обозначающие понятие "проектная процедура", вершины - "следующая процедура" и вершины - "предыдущая процедура". Наличие в модели

поспеяяих двух типов вершин позволяй ( модечировать различные варианты организации ПГ1, внося изменения в описания только эгчх вершин. Модель Sim при этом перестраиваете;! автоматически.

Очевидно, что модель Sun . а значит и вид графа SGnn , определяется этапом проектирования. кидом проектирования и уровнем иерархии ОП.

Для решения задачи экспресс-оценки реализуемости ТЗ в большинстве случаев оказывается достаточным рассмотрение ГШ на нулевом и первом уровнях иерархии представления ОП. В этом случае анализируются интегральные показатели трудоемкости проектирования отдельных элементов ОП. При этом процедура ПОР реализуется в виде определенного сценария, графическим изображением которого может служить дискретная ситуационная сеть. Узлам сети соответствуют состояния, характеризующиеся набором параметров, которые либо подлежат оцениванию, либо являются результатом оценивания. В качестве начального состояния (0) выбирается состояние, соответствующее инициации запроса на работу процедуры. В качестве конечного (К) - состояние, соответствующее выдаче определенных рекомендаций пользователю. Переход из одного состояния в другое осуществляется е помощью операторов fi е F . Поставив в соответствие каждому из операторов специальную процедур}' <pi g 4P , которую можно организовать как типовую процедуру, получаем возможность синтезировать различные стратегии моделирования ПП набором типовых процедур. В работе приводится описание одиннадцати таких процедур. Каждая из этих процедур реализуется с помощью продукционной системы. то есть последовательности логических правил, в соответствии с которыми ищется ответ на соответствующий сценарию моделирования ПП вопрос, например, анализируется структура ПП. определяется трудоемкость выполнения отдельных проектных процедур (в соответствии с результатами работы ППА), выясняется выполнение того или иного критерия. В работе рассматриваются три группы критериев: временные, стоимостные и ресурсные. В случае невыполнения какого-либо критерия производится попытка изменения структуры ПП по определенному алгоритму, реализуемому с помощью соответствующей продукционной системы. При построении данного алгоритма автор «ходил из следующего предположения. В роли ЛПР, действие которого моделируется, выступает высококвалифицированный специалист, тринимающий решения на основе достаточно гибких решающих пра-шл, не связанных с решением экстремальных задач. В случае, когда не 'дается получить удовлетворительного результата, задача определена варианта организации ПП решается как многокритериальная с юмощью специально разработанной имитационной модели (ИММ).

В четвертой главе приведено описание ИММ, предназначенной для более детальной оценки вариантов организации ПП, полученных с помощью семиотической модели, с целью выбора из них наиболее предпочтительного. Исходными данными для ИММ явлются: количество моделируемых вариантов ПП; последовательности проектных процедур для каждого вариан та ПП; характеристики проектных процедур; данные о ресурсах проектного предприятия; другие данные, необходимые для моделирования.

Работа ИММ осуществляется как в автоматическом, так и в диалоговом режимах. В первом случае исходные данные для ИММ берутся с выхода семиотической модели. Во втором случае предусмотрена возможность ввода исходных данных по желанию пользователя. Кроме того, пользователь может прервать процесс имитации с целью просмотра текущего состояния модели и, если это необходимо, произвести коррекцию ее параметров. Результаты моделирования всех М вариантов организации ПП по N критериям сводятся в матрицу оценок РЕмхК , отражающую статистически устойчивые или детерминированные оценки показателей качества.

Превосходство одних вариантов над другими определяется с помощью количественной оценки показателей качества, которые должны принимать максимально (минимально) возможные значения. Каждый вариант ПП оценивается по критериям Гь.Лк, которые являются показателями эффективности проектных решений с точки зрения затрат на проектирование. Для каждого из критериев задается шкала, представляющая собой множество упорядоченных оценок. Предполагается, что ЛПР имеет некоторую систему предпочтений, то есть совокупность неформализованных представлений, которая связана с достоинствами и недостатками сравниваемых решений.

Сравнение М вариантов организации ПП по N критериям и выбор из них предпочтительного осуществляется с помощью разработанной процедуры выбора. Исходными данными для процедуры выбора являются: матрица оценок РЕл^ ; количество рангов единой шкалы оценок Б ; весовые коэффициенты критериев , отражающие значимость каждого критерия для ЛПР; тип шкалы Т^ (нормальная или инверсная); пороговые значения по индексам согласия и несогласия р,д€{0,1]. Первый шаг обработки исходной матрицы РЕ состоит в преобразовании ее в матрицу ранжированных оценок МРм^ , каждый элемент которой определяется следующим

образом

МР(т,п)=[(РЕ(т,п)-РХ(п))/В^11 ,

где 0%'=(Р'С(п) - РХ(п)) I (О - 1} - цена деления шкалы оценок: РЕ{п) и РХ{п( - соответственно лучшая и худшая оценки по критерию (а ; РЕ(тои) - оценка т - со варианта по п - м> критерию: [Х| - ближайшее чел о е. меньшее X .

Полеченная матрица МР позволяет получить грукпоаые предпочтения вариантов на основе индивидуальных оценок. Детальный анализ предпочтений среди альтернативных вариантов проводился на основе теории графов. Пусть V- множество вариантов сравнения, I -множество критериев. Первоначально для каждого критерия строится ориентированный граф в,, = (V, ип), где V - множество вершин графа; ип - множество дуг. Граф Сп обладает свойством транзитивности, причем на этом графе проводится дуга ((',у')еЬ!я , если Лг,(у)>л„(У), и встречные дуги (у,у'), (у\у)еи„, если Хп(у)=Д.п(у'), где /.„(у) - оценка, присваиваемая элементу у по шкале оценок критерия 1П.

Совместив одноименные вершины графов Сп, п=1..1Ч, получим мулыиграф {¡\\ отражающий информацию для сравнения множества вариантов V по множеству критериев I7 В мультпграфе Су нарушается транзитивность отношения неразличимости из-за необходимости сравнения по нескольким показателям. Требуется ввести отношение, которое трансформировало бы мулыиграф Су н граф С(\",1,'}, воспроизводящий транзитивность на множестве с учетом оценок по всем критериям ГчбЕ. Для решения этой задачи в работе был использован следующий алгоритм.

1. Множество критериев разбивается на два непересекающихся класса. К первому классу Р+(у,у')={Гп)(у,у')€ип} относятся критерии, для которых ?„я(у)>А.1;(у'). Оставшиеся критерии образуют второй класс: Е(у,У') = {Гп I (\',у')<г ип}.

2. Вводятся индекс согласия 8(у,у'), определяющий степень превосходства варианта у над у' по совокупности критериев, принадлежащих классу Г;+. и индекс несогласия .\'5(у,у'). определяющий степень превосходства варианта над V по совокупности критериев, принадлежащих классу V-.

3. Полученные значения индексов согласия ¡1 несогласия для всех пар (у,у')е¥ сводятся в матрицу согласия 5м,м и матрицу несогласил NSмxM •

4. Вводятся пороговые значения индексов согласия и несогласия Р,че[0Д].

5. Проводится дуга (у,у')еи(р,я) тогда и только тогда, когда 8(у,у') г р и N80',у'} ^ Ч • Получаем граф С(р,ч)=С(У,и(р,ч)), определяющий отношение превосходства одних вариантов над другими.

Граф С(р,я) отражается булевой матрицей превосходства МВмхм , элементы которой определяются следующим образом

I 1, если ,

МВ(ьз) - ^

^ о, если (Ч;,\|)ги(р,ч) .

Окончательный выбор предпочтительного варианта организации ПП осуществляется с использованием метода отыскания ядер графа С(р,Ч).

Основным достоинством такого подхода к выбору предпочтительного вариаша ПП является то, что ЛПР предъявляются только те варианты ГШ, для сравнения которых действительно требуется более глубокий и тщательный анализ. Варианты ПП для просмотра ЛПР содержат в своем составе "наилучший" вариант и наиболее непохожие на него, но обладающие тем свойством, что имеющиеся оценки по всей совокупности критериев не дают оснований для отнесения этих вариантов в разряд заведомо "плохих". Возможность выявления таких наборов для просмотра ЛПР представляется весьма целесообразной с точки зрения выбора "наилучшего" варианта организации ПП.

В пятой главе рассмотрен пример использования подсистемы САПР "Согласование технического задания" в процессе проектирования бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ). Приведено описание структуры БЦВМ как иерархического сложного объекта. Выделены четыре уровня иерархии ее рассмотрения. Нулевому уровню иерархии соответствует рассмотрение БЦВМ в целом. Составляющими первого уровня иерархии являются: устройство ввода-вывода, процессор, модули комбинированный и интерфейсных усилителей, корпус, вторичный источник питания, блок запрограммированных микросхем постоянной памяти; составляющими второго уровня иерархии - многослойные печатные платы и т.п.; составляющими третьего уровня иерархии - матричные БИС. Каждый уровень иерархии характеризуется своим набором технических характеристик, который отражается в соответствующих разделах ТЗ.

На основании подхода, описанного в главе 2, и в соответствии с реальным ТЗ на проектирование БЦВМ-90, которое проводилось в ОКБ "Электроавтоматика", было осуществлено формализованное представление ТЗ в следующем виде

8м_тз = < 8тз_тх, 8тз_то, Бтзло, 8тз_уэ, 8тз_н, 8тз_кт > , (6) где модели 8тз_тх (ТХ - "технические характеристики"), втз.то (ТО -"техническое обслуживание" - интегральный показатель), Sn.no (ПО -"программное обеспечение"), 8тз_уэ (УЭ - "условия эксплуатации" -

пнтефальный показатель), 5п_ч • (Я - ''надежность") и 8 п кт (КТ----.. "конструктивные требования" - интегральный показатель) соответствуют пунктам ТЗ на проектирование БЦВМ

Модель в свою очередь, представляется в виде

8пдх — ' УЬ з. гх } , где к=0..3 - уровень иерархии ОП.

Данная модель реализована средствами языка Турбо-Пролог. Для примера приведем описание ¡ехппческих характеристик БЦВМ на нулевом уровне иерархии.

Использованы следующие предикаты: процессор (тип, структура).

каналы_в_в(ч_обм_пар, чех, ч_вых, ч_гап_прср, аши_к).

уев (тип, вид, режим).

управление^у (тип).

интерфейс (вид).

■)л_ба?а (тип _ >л6азы).

и предикатные формулы (логические правила): тз_техп_хар_БЦВМ_/>: - процессор (тип,структура); кшм:1Ы_в_б(Ч_обм_пар, Ч_ех, Ч_еых, Чзанпрер, Анал_к); Vос (Тип, Вид, Режим), управление^}' (Тип): интерфейс!Вид), эл_б<аа(Тип_зл_6азы).

Аналогичным образом задаются предикаты и строятся логические правила для других уровней иерархии БЦВМ и остальных пунк-юв ТЗ.

Запрос к БЗ, реализующий 'желание пользователя ознакомиться е ТЗ на БЦВМ в целом, будет соответствовать вызову модели вида (6) и пмегь вид

тз_БЦВМ ?

Ответ на введенный запрос формируется автоматически в соответствии с логическими правилами вида

ппБЦВМ: - тз_тх, тз_то, тз_по, тз_уэ, тз_п, тз_кт. пп_ тх: - иг; техн _хпр__НИВМ_0, тз_техп_хар_БЦВМ_1.

и т.д.

при подстановке соответствующих значений доменов предикатов, входящих в ни правила. Значения доменов берутся из БД. содержаще!! факты, или утверждения.

Построена модель типового процесса проектирования БЦВМ, принятого в ОКБ "Электроавтоматика".

На тестовых примерах рассмотрена работа процедур ППА и ПОР. Соответствующие продукционные системы, являющиеся основными частями этих процедур, базируются на использовании логики, что позволяет хранить БЗ в файле на диске. Таким образом, ограничения на размеры этих баз знаний практически не накладываются.

Полученные результаты подтвердили адекватность предложенной модели и действий проектировщика по согласованию ТЗ на БЦВМ к позволили сделать вывод о том, что использование разработанной подсистемы САПР "Сохласование технического задания" позволит сократить длительность этого этапа и повысить эффективность всего комплекса проектных работ.

В заключении изложены основные результаты работы.

В приложении приводятся: перечень проектных процедур для типового процесса проектирования БЦВМ; фрагменты программных модулей, реализующих работу процедур ГША, ПОР и процедуры выбора предпочтительного варианта организации ПП,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена структура и определены задачи системы поддержки принятия решений (СППР), основной функцией которой является помощь ЛПР в принятии решений по оценке реализуемости ТЗ силами конкретного предприятия.

2. Разработаны модели представления знаний для информационной модели и модели принятия решений, использующие в качестве единого формального базиса логику предикатов первого порядка.

3. Предложен способ организация базы знаний (БЗ) информационной модели с разделением ее на базу интенсиональных знаний и базу экстенсиональных знаний. Принятая организация БЗ позволяет оперировать с интенсиональными знаниями на уровне абстрактных представлений об объекте с вызовом по необходимости нужных фактов из базы экстенсиональных знаний.

4. Разработан формальный язык представления декларативных знаний, с помощью которого строятся модели ТЗ, ресурсов предприятия, объекта и процесса проектирования. Данные модели имеют вид семантической сети специального вида - семантического графа. Достоинством таких моделей является возможность их описания с помощью языка логики предикатов первого порядка.

5. Разработаны базовые конструкции входного языка, позволяющего пользователю общаться с ЭВМ на языке предметной области и представляющего собой интерпретатор, реализующий логический вывод в исчислении предикатов первого порядка на основе использования системы программирования ПРОЛОГ.

6. Произведена формализация процедуры поиска аналога ОП на основе использования аппарата нечетких множеств, что позволяет осуществлять автоматизированный поиск аналогов как ОП в целом, так и его отдельных фрагментов на различных уровнях детализации.

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Государственный университет аэрокосмического

приборостроения

На правах рукописи

Козенко Сергей Леонидович

Исследование и разработка подсистемы САПР "Согласование технического задания"

Специальность 05.1 ЗЛ 2 - "Системы автоматизации

проектирования"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор Р.И.Сольницев

Санкт - Петербург - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Список используемых сокращений.......................... 5

ВВЕДЕНИЕ.............................................. 6

1. ЭТАП СОГЛАСОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ В ПРОЦЕССЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНОГО ОБЪЕКТА ........ 12

1.1. Анализ некоторых сложных объектов проектирования..... 12

1.2. Особенности процесса проектирования сложного объекта .. 15

1.3. Взаимосвязь этапа согласования технического задания (ТЗ)

с другими этапами проектирования............................... 18

1.4. Анализ существующих подходов к автоматизации процесса проектирования на начальных этапах...................................27

1.5. Концептуальная модель процесса принятия решений на

этапе согласования ТЗ.........................................35

Выводы по разделу 1 .....................................40

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ, ИНФОРМАЦИОННАЯ И ЛИНГВИСТИЧЕСКАЯ КОМПОНЕНТЫ ПОДСИСТЕМЫ

САПР "СОГЛАСОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ"........42

2.1. Математическое обеспечение подсистемы САПР "Согласование технического задания"............................42

2.1.1. Модели представления знаний........................42

2.1.2. Модели представления декларативных знаний.......... 48

2.1.3. Формальный язык представления декларативных знаний . 52

2.2. Информационное и лингвистическое обеспечения подсистемы САПР "Согласование технического задания"..........60

2.2.1. Организация базы декларативных знаний.............60

2.2.2. Типовые конструкции входного языка.............68

Выводы по разделу 2.................................... 72

3. СЕМИОТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В ПОДСИСТЕМЕ САПР "СОГЛАСОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ" .................................................73

3.1. Автоматизированная процедура поиска аналога объекта проектирования .............................................73

3.2. Автоматизированная процедура поиска решений при отсутствии аналога объекта проектирования „....„„...„........■. 83

3.3. Автоматизированная процедура экспресс - оценки реализуемости ТЗ ............................................ 90

Выводы по разделу 3................................... 104

4. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ВЫБОРА ВАРИАНТА ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ В ПОДСИСТЕМЕ САПР "СОГЛАСОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ"............ 106

4.1. Состав и структура имитационной модели...................106

4.2. Процедура выбора предпочтительного варианта

процесса проектирования (ПП) ............................... 113

4.2.1. Исходные данные для процедуры выбора ............ ИЗ

4.2.2. Получение групповых оценок .............................114

4.2.3. Алгоритм выбора предпочтительного варианта ПП ... 119

Выводы по разделу 4 .

1'М

5. ПРИМЕНЕНИЕ ПОДСИСТЕМЫ САПР "СОГЛАСОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ" ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ БОРТОВОЙ ЦИФРОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ (БЦВМ)........................................125

5.1. Назначение и основные характеристики БЦВМ....... . 125

5.2. Оценка реализуемости ТЗ на проектирование БЦВМ ... . 129

5.2.1. Формализованное представление ТЗ на проектирование БЦВМ ..............................................129

5.2.2. Формализация описания типового процесса проектирования БЦВМ ...................................... 132

-45.2.3. Реализация процедур поиска аналога и оценки

реализуемости ТЗ на проектирование БЦВМ....................136

Выводы по разделу 5................................... 142

Заключение ............................................143

Литература ............................................ 145

Приложения ........................................... 156

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

БД - база данных

БДЗ - база декларативных знаний

БЗ база знаний

ВИЗ - база интенсиональных знаний

Б ЦВМ - бортовая цифровая вычислительная машина

БЭЗ - база экстенсиональных знаний

ГПС - гибкая производственная система

ГС гироскопическая система

ИМ - информационная модель

ИММ - имитационная модель

КФМ - конструктивно-функциональный модуль

ЛПР - лицо, принимающее решение

МПЗ - модель представления знаний

МПР - модель принятия решений

ОП объект проектирования

ПОР - процедура экспресс-оценки реализуемости

ГШ процесс проектирования

ППА - процедура поиска объектов-аналогов

САПР - система автоматизированного проектирования

САУ - система автоматического управления

СГ семантический граф

СП система программирования

СПЗ - система представления знаний

СППР - система поддержки принятия решений

ТЗ техническое задание

ФС функциональная система

ЭС экспертная система

ЯПЗ - язык представления знаний

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эффективности производства и качества выпускаемой продукции невозможно без внедрения и постоянного развития систем автоматизированного проектирования (САПР). Автоматизация процесса проектирования (ПП) сложных объектов позволяет снизить трудоемкость проектирования, сократить сроки разработки, получить свободную от ошибок проектную документацию. Возможность анализа большого числа вариантов проектирования позволяет выбрать из них наиболее эффективный и тем самым повысить качество разрабатываемого изделия.

Современные САПР относятся к человеко-машинным системам, в которых человек является определяющим звеном на всех этапах проектирования. При этом творческая деятельность проектировщика, которая автоматизируется в САПР, включает в себя в качестве основных элементов процессы принятия решений. В зависимости от места и роли человека в этих процессах все проектные процедуры, составляющие те или иные этапы проектирования, можно условно разделить на три принципиально различных типа: алгоритмически определенные, детерминированные и трудноформализуемые. На сегодняшний день наибольшие успехи достигнуты при автоматизации проектных процедур, относящихся к первым двум типам. Методологии автоматизации таких проектных процедур посвящено значительное количество работ [4,14,18,26,31,66,79,81,82,91].

В то же время трудноформализуемые проектные процедуры плохо поддаются автоматизации, и процесс принятия решений целиком лежит на проектировщике и, даже при использовании современных САПР, существенно зависит от его опыта, квалификации, различия его физического и психологического состояния в разные отрезки времени проектирова-

гтгч /••* Ч/

имя. I аким образом, возникает следующее противоречие: с одной стороны, сокращение сроков и повышение качества проектных работ требуют

автоматизации как можно большего числа проектных процедур, а с другой стороны, сложность автоматизации проектных процедур, относящихся к третьему типу в силу их недостаточной определенности и формализуемости, не позволяет наиболее успешно решать эти задачи.

Наиболее показательным в этом плане является этап согласования технического задания (ТЗ), который особенно плохо поддается формализации. Поэтому данный этап до настоящего времени почти не автоматизирован и осуществляется вручную специалистами в области управления, Заказчиком и Исполнителем, выступающими в роли лиц, принимающих решение (ЛПР), от которых, кроме всего прочего, требуется достаточно высокая квалификация. В результате их совместной работы составляется предварительное заключение о реализуемости проекта силами конкретного предприятия в заданные директивные сроки. Решение данной задачи связано в первую очередь с необходимостью анализа имеющихся ресурсов (количество специалистов, уровень их квалификации, уровень автоматизации проектных процедур, наличие аналогов на разработку и т.д.) и оценки возможных вариантов организации ПП. Процесс этот длительный, трудоемкий, требующий значительных интеллектуальных затрат от всех его участников, особенно в условиях усложнения проектов и ужесточения требований к срокам их реализации.

Из сказанного следует очевидная необходимость усовершенствования труда лиц, принимающих решение на данном этапе проектирования, в частности, путем автоматизации той сферы их интеллектуальной деятельности, которая связана с выработкой и принятием решений. Основанием для этого является то, что у опытного руководителя проекта и его консультантов обычно имеются эвристические планы разрешения ситуаций, возникающих в процессе согласования ТЗ. Задача состоит лишь в том, чтобы каким-то образом формализовать эти эвристики. Последнее обстоятельство требует привлечения нетрадиционных средств и методов формализации для решения задач автоматизации данного этапа проек-

тирования. В этом случае уместно говорить о правилах формализации переработки информации, которые отражают закономерности ПП и опыт лиц, участвующих в этом процессе. Такая формализация стала возможной благодаря результатам, полученным в рамках работ по искусственному интеллекту и, в частности, при создании экспертных систем. Цель исследований по экспертным системам состоит в разработке программ, которые при решении задач, трудных для эксперта-человека, получают результаты, не уступающие по качеству и эффективности решениям, получаемым экспертом. В настоящее время экспертные системы нашли широкое применение в разнообразных областях (медицина, химия, геология, юриспруденция и т.д.). В то же время опыт использования экспертных систем в процессе проектирования, как составной части САПР, не столь обширен и практически отсутствует для решения задач, возникающих на этапе согласования ТЗ.

Тем не менее, принципы, заложенные в основу построения экспертных систем, могут быть использованы для построения специализированной системы поддержки принятия решений (СППР), которая может быть включена в общую структуру САПР предприятия. Задачами такой СППР являются следующие:

- достаточно быстро определять, существует ли решение, либо по ряду признаков предоставлять информацию о том, что для имеющихся исходных данных и заданных параметров задача не имеет решения;

- выбирать предпочтительный, с точки зрения одного или нескольких критериев, вариант решения;

- позволять оценивать чувствительность предлагаемого решения к изменению исходных данных;

- определять технико-экономические показатели предлагаемых вариантов решений.

Использование подобной системы позволит выявить и устранить дорогостоящие ошибки проектирования, сократить длительность на-

чальных этапов ГШ, в частности, этапа согласования ТЗ, повысить эффективность и качество принимаемых проектных решений.

К настоящему моменту известно достаточно большое число работ, посвященных исследованиям различных моделей, имитирующих действия человека (эксперта) в процессе принятия решений [55,71,99,105]. При построении таких моделей используются самые различные математические теории, такие как теория массового обслуживания, теория автоматов, теория статистических решений, теория полезности, векторная оптимизация [32,35,63,71,99]. Результаты исследований позволяют сделать вывод [63,92], что к настоящему моменту отсутствуют формализмы, способные корректно описывать действия ЛПР, и ни одна из перечисленных теорий не дает возможность построить адекватные модели для всех случаев.

В связи с этим представляется целесообразным подход к автоматизации этапа согласования ТЗ на основе перехода от систем, использующих "данные", к системам со структурированными знаниями, или семиотическим системам. При этом знания представляются в форме гибкой системы фактов и правил, манипулируя которыми можно моделировать на ЭВМ функции человека по планированию ПП. Вместе с тем, для уточнения, в случае необходимости, некоторых параметров ПП, представляется целесообразным использование традиционных приемов имитационного моделирования. Данный подход предполагает согласованное использование семиотической и имитационной моделей. Сначала, с помощью семиотической модели, выясняется принципиальная реализуемость ТЗ силами данного предприятия, производится предварительная оценка возможных вариантов организации ПП и отбираются наиболее предпочтительные из них. Затем, с помощью имитационной модели, исследуются характеристики предлагаемых вариантов с целью выбора наилучшего (с точки зрения выбранного критерия или совокупности критериев) и производится его окончательная оценка. Иначе говоря, имитационная мо-

дель описывает ПП с информационной точки зрения, а семиотическая - с точки зрения процесса принятия решений. Такой подход позволит сочетать эвристические способности проектировщика с вычислительными возможностями современных ЭВМ и, кроме того, позволит автоматизировать часть функций по управлению ПП, традиционно выполняемых человеком.

Целью диссертационной райоты является разработка математического, информационного, лингвистического и программного обеспечений подсистемы САПР, позволяющей автоматизировать часть интеллектуальной деятельности человека по согласованию ТЗ в процессе проектирования сложного объекта.

Объектом исследования в диссертационной работе является процесс проектирования сложного объекта.

Предметом исследования являются вопросы автоматизации процедуры поиска решений на основе совместного использования принципов семиотического и имитационного моделирования.

Поставленная цель определила следующие основные задачи исследования:

- анализ существующих подходов к автоматизации трудноформа-лизуемых проектных процедур;

- формализация начальных этапов - возможности, подходы, предложения; структура подсистемы САПР "Согласование технического задания";

- исследование и разработка математического обеспечения подсистемы;

- исследование и разработка информационного обеспечения подсистемы;

- исследование и разработка лингвистического и программного обеспечений подсистемы;

- применение разработанных средств на начальных этапах проектирования сложного объекта (на примере проектирования бортовой цифровой вычислительной машины).

- 121. ЭТАП СОГЛАСОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ В ПРОЦЕССЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНОГО ОБЪЕКТА

1.1. Анализ некоторых сложных объектов проектирования

В отличие от существующих методов проектирования сравнительно простых технических систем при разработке сложных технических объектов, таких как гироскопические системы (ГС), системы автоматического управления (САУ), бортовые цифровые вычислительные машины (БЦВМ), гибкие производственные системы (ГПС), возникают проблемы, в меньшей степени связанные с рассмотрением свойств и законов функционирования, а в большей - с выбором наилучшей структуры, оптимальной организации взаимодействия элементов, определением требуемых режимов функционирования как объекта в целом, так и его составных частей. В еще большей степени это утверждение относится к проектированию сложных организационно-технических систем, таких как городское хозяйство, экологические системы безопасности человека и др. При прое ктирова ни и подобных объектов широкое распространение получил иерархический подход к их описанию [66,81,82]. При таком подходе объект проектирования (ОП) расчленяется на иерархические уровни. На высшем (нулевом) уровне используется обобщенное представление ОП. С каждым последующим уровнем иерархии возрастает степень детализации проектируемого объекта (рис.1.1). Такой подход позволяет на каждом уровне иерархии формулировать и решать задачи приемлемой сложности. Каждому уровню иерархии соответствуют свои цели проектирования. Исходя из этого, можно сформировать иерархию - "дерево" целей проектирования [80] - соответствующую иерархическому представлению ОП. Цели, совместно с критериями, ограничениями и условиями эксплуатации, отражаются в ТЗ на проектирование. Таким образом, дерево целей трансформируется в дерево ТЗ, в котором нулевой уровень иерар-

хии представляет собой ТЗ на объект в целом, а соподчиненные уровни частные ТЗ на отдельные устройства, на элементы этих устройств и т.д.

Объект I

f'.llitlillllll'in^lMilii 11П11П»»ИМИ№

шшшш

Рис. 1.1

ТЗ на проектирование объекта составляется в соответствии с требованиями стандартов и обычно включает следующие основные разделы:

1. Наименование, цель и область применения.

2. Основание для создания.

3. Требования к техническим характеристикам.

4. Условия эксплуатации.

5. Экономические показатели - затраты на проектирование, источники финансирования.

6. Условия и серийность производства.

7. Порядок испытаний и ввода в действие.

8. Сроки проектирования.

Содержание разделов ТЗ и их количество может меняться в зависимости от конкретного ОП. Так, в ТЗ на проектирование ГС основную часть занимают требования к точностным и массогабаритным характе-

ристикам, а также высокой степени надежности. Важное место в ТЗ на ГС занимают условия эксплуатации, такие как ударные и вибрационные возмущения, влияние тепловых, магнитных и других полей [81].

В ТЗ на проектирование САУ, которая является довольно с