автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка и исследование интеллектуально-алгоритмической среды проектирования нового объекта

Санкт-1 штероуитский х осудаоствснный институт точной механики и оптики (Технический университет;

Юдин Михаил ¿иръевнч

«Разработка и исследование прототипа интеллектуально-алгоритмической среды проектирования новом о объекта».

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования.

в «пл 1К1 ^-ипг/ла! у "IЧ/и * к; м V 1 V в ¿\Jiiirl

научный ру ководитель

доктор технических наук, профессор Немолочнов О.Ф.

Санкт-Петербург

.............................................................................................................

гдение...........................................................................;...............................

лава. Обзор состояния и тенденции развития систем автоматизирс

шого проектирования (САПР)..............................................................

Основные положения..............................................................................15

Процесс проектирования и конструирования и проблема его автомата •алии...........................................................................................................1<

ЭС......................................................

1.10. Методы и этапы разработки ЭС. тальным средствам разработки 30..

Основные требования к инструмен-

1.11. Йытеллектуапизадия САПР. Компоненты ЭС в САПР. Гибридные

САПР (ГСАПР)..........................................................................................61

Выводы и заключения по первой главе....................................................64

Постановка задачи исследования......................... .....................................67

2 глава. Анализ и описание объекта проектирования - ветроэнергетической установки (ВЭУ)..............................................................................69

2.1 Общие сведения о ВЭУ. Основные принципы конструкции. Функции и отличительные свойства............................................................................ЬУ

2.2 Основные параметры и модели алгоритмического блока ГСАПР........76

Выводы и заключения по второй главе..................... ...............................87

3 глава. Разработка программного обеспечения прототипа ГСАПР....ь9 3 .1. Обоснование выбора языка программирования....................................Ь9

3.2. Достоинства и недостатки языка Пролог при традиционном программировании. Перспективы его применения................... ............................95

3.3. Разработка структурно-функциональной схемы ГСАПР КВЭУ.........1U9

3.4. Разработка и описание основных алгоритмов ГСАПР........................115

3.5. Разработка структуры БД......................................................................128

3.6. Построение базы знаний (ЪЗ) i САПР. Списание алгоритма проектирования БЗ....................................................................................................136

3.7. Разработка структуры интерфейса ГСАПР..........................................151

Выводы по третьей главе............................. ..............................................159

4 глава, особенности отладки и тестирования программного ооеспе-чения (ПО) ГСАПР....................................................................................163

4.1. Отладка ПО ГСАПР...............................................................................163

4.2. Тестирования ПО ГС/чГо......................................................................168

Выводы и заключения по четвёртой главе............................................181

Заключение. Основные научные и практические результаты работы.....1аЗ

Литература...................................................................................................185

Приложение 1. Тексты программ демонстрационной версии гибридной

САПР КВЭУ............................................................................................... ^

приложение à.. 1аолицы тестов программного Оиеепечения гиориднои

САПР КВЭУ..................................................................................................281

приложение э. -^ксплутационная программная документация I ежит1... 299

Сокращения.

1. САПР - система автоматизированного проектирования

2. ТЗ - техническое задание

3. ВТ - вычислительная техника

4. ЙСОД - интегрированная система описания (обработки) данных

5. БД - база данных

6. СУБД - система управления базой данных

7. ПО - программное обеспечение

8. БПО - базовое программное обеспечение

9. ОС - операционная система

10.ППП - пакет прикладных программ

11 .ЦБК - центральный вычислительный комплекс

12 .АРМ - автоматизированное рабочее место

13.СОД - система обработки данных

14.ИИ - искусственный интеллект 15.ЭС - экспертная система

16.СИИ - система искусственного интеллекта

17.ГСАПР - гибридная система автоматизированного проектирования

18.ВЭУ - ветроэнергоустановка

19.БЗ - база знаний

20.ДМ - дедуктивная машина

21.ИС - инструментальные средства.

22.ВЭУ - ветроэнергоустановка

23.КВЭУ - карусельная ветроэнергоустановка

24.БФД - буфер данных

25.ТП - технические предложения

26.СОЗ - система обработки знаний

Введение.

При создании практически каждого изделия ставиться задача превзойти технические характеристики изделий-аналогов, например, улучшить параметры функционирования, снизить вес, трудоёмкость и себестоимость серийного изготовления и т.п.

Достижение этих показателей, как правило, требует поиска новых творческих решении, создания более современных моделей образцов, разработки и использования более совершенных методов расчета, совершенствования систем контроля и испытаний. Всё это делает сложным процесс подготовки и принятия проектных решений, эффективность которого основана как на достаточности, своевременности, достоверности информации, так и на перспективности используемых идей, порождённых глубокими знаниями. Всё, в конечном итоге, определяется конкретной областью инженерной деятельности. Однако, общим является то, что подготовку и принятие решений осуществляют конкретные люди, которые являются как потребителями, так и источниками информации, а также носителями идей в предметной области. Вместе с тем процесс подготовки и принятия проектных решений всегда включает технологию, не связанную с творчеством, но требующую большой затраты сил и времени на обработку, преобразование и представление информации в нужной форме, вы-

пуск проектно-конструкторской документации. Технологическая часть процесса проектирования в настоящее время эффективно решается на основе использования систем автоматизированного проектирования (САПР), которые называются алгоритмическими, т.к. основаны на использовании

математических моделей описания задач и алгоритмов их решения. Но ав-

\

томатизация технологической части подготовки проектных решений -только первая и относительно простая часть проблемы. Значительно важнее, но зато неизмеримо сложнее - автоматизация творческого труда. Поэтому важна разработка общей методологии решения проектных задач, основные контуры которой могут- быть определены как углублённое описание предметной области структурирование информации, классификация задач и методов их решения, решение трудноформализуемых или нефор-мализуемых задач.

совокупность таких задач наиболее характерна для начальных эта_ _____ _ _ - - ^ - _ -

пов проектирования, когда разраоатываются техническое задание и технические предложения, формирующие концепцию изделия, его структуру, выраоатываются треоования к основным параметрам и характеристикам на основе рассмотрения различных вариантов проектных решении, для решения этих задач необходимо, чтобы САПР обладала определённым уровнем интеллекта, если исходить из того, что интеллект начинается там, где есть выбор (а выбор порождается неопределённостью). А неопре-

деланность всякий раз проявляется именно в интеллектуальной (а не технологической) деятельности проектировщика, когда он стремиться сформировать (и формирует) правила, позволяющие ему решать соответствующие неформализованные задачи без содержательного раскрытия ситуации.

Комплексное решение проблемы автоматизации как формализуемых, так и неформализуемых задач может быть достигнуто на основе создания интеллектуально-алгоритмической среды проектирования путём встраивания в алгоритмическую САПР интеллектуальных (логических) компонент класса экспертных систем (ЭС) для решения эвристических задач. Основное свойство ЭС - менять свою структуру и содержание в процессе функционирования - отвечает одному из основных требований, предъявляемых к СлЛР, - возможности адаптироваться к условиям и характеру проектных работ. Принцип обучаемости ЭС за счёт изменения своей структуры и содержания должен сочетаться с принципом неизменной совокупности формализованных процедур, на которой строится иАПР с детерминированнои структурой.

Интеллектуализация алгоритмической и АИР приводит к гиоридной САПР (ГСАПР), которая позволит не только расширить круг решаемых ею задач проектирования, но и создаст более дружественную среду взаимо-

действия пользователя с системой, даст возможность пользователю самостоятельно наращивать возможности системы.

Несмотря на известные результаты исследований указанных проблем, их решение с целью построения эффективных технологий автоматизации начальных этапов проектирования, находится в самой начальной стадии и остаётся пока открытым вопросом теории и практики.

Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной и имеет непосредственное отношение к важной проблеме создания нового поколения САПР, решение которой существенно повлияет на возможность повышения эффективности управления техническим циклом проектирования, сокращения его сроков, повышения их качества и уровня конкурентоспособности проектируемых изделий.

Цель работы. Исследование и разработка методов построения прототипа интеллекгуально-алгоритмической среды для:

■ поддержки принятия решений на начальных этапах автоматизированного проектирования нового объекта (формирование технического задания, разработка технических предложений, синтез структуры);

Ш создания условий непрограммирующему пользователю-проектировщику для самостоятельного наращивания функциональных возможностей системы.'

Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач:

1. Исследование методов и средств решения задачи комплексной автоматизации процесса проектирования.

2. Классификация задач (объектов) проектирования и исследование их проектирования как итеративного циклического процесса с целью выделения этапов с формализованными процедурами и процедурами, не поддающимися формализации.

3. Определение состава, соотношения и функций алгоритмических и интеллектуальных составляющих в системе автоматизации процесса проектирования нового объекта.

4. Модельное представление объекта для описания взаимосвязи основных технических и геометрических параметров с целью формирования алгоритмической компоненты системы проектирования.

5. Разработка стрзшурно-функциональной схемы гибридной САПР для поддержки проектных процедур на ранней стадии проектирования.

6. Исследование, анализ и обоснование выбора инструментальных средств для создания алгоритмических и интеллектуальных компонент гибридной САПР.

7. Разработка программного обеспечения гибридной САПР.

8. Исследование и разработка способов отладки и тестирования программного обеспечения гибридной САПР.

Практическая реализация решаемых задач рассматривается в классе

ветро-гидроэнергетических установок карусельного типа, удовлетворяющих новому охраноспособному решению.

Методы исследования. Для решения перечисленных задач использованы методы теории алгоритмов, математической логики, теории множеств, искусственного интеллекта, инженерии знаний и построения экспертных систем, математического моделирования.

Научная новизна. Полученных в работе результатов заключается в следующем:

ш проведён синтез структурно-функциональной схемы гибридной САПР с выделением алгоритмической и интеллектуальной компоненты класса экспертная система, ■ в качестве инструментального средства разработки используется среда логического программирования Пролог 4.0, что на практике доказывает возможность применения языков искусственного интеллекта в качестве инструмента программирования инженерно-технических задач проектирования;

■ разработана математическая модель функционирования объекта автоматизированного проектирования;

■ разработан алгоритм построения и оптимизации базы знаний для экспертной компонента гибридной САПР,

■ разработана методика тестирования базы знаний экспертной компоненты гибридной САПР.

Практическая ценность работы заключается в создании прототипа однородной программной среды для гибридной системы автоматизированного проектирования нового объекта. Па «»ш,™. , выносятся:

■ модельное представление объекта проектирования в виде графи____ _ ^ _ ______^ ____„ ^__________________________________£_______ __ _ __ ___ _ _____

4ССЖОГО ОийСапИл фумКЦИОНИрОБЫНйЯ ¿и 11 ОрМГММЧССКОИ КОМ1хиКсК~

ты ГСАПР;

■ структурно-функциональная схема объекта проектирования,

■ структурно-функциональная схема ГСАПР, решающая задачи автоматизации начальных этапов проектирования объекта (техническое задание, технические предложения, определение структуры

™ укрупненный алгоритм функционирования г С/Лиг; Я алгоритм построения и оптимизации базы знаний ГСАПР.

графическое и символическое представление базы знаний ГСАПР,

графическое представление пользовательского инт^р^йса;

г глава. Обзор состояния и тенденции развития систем автоматизированного проектирования 1.1. <Л)щие положения.

Комплексная автоматизация производства объективно на первый план выдвигала и задачи автоматизации проектно-

консгруктирских раоот, которые являются лаиоолсс у^ким местом в технической подготовке производства из=за низкого уровня производительности труда проектировщика в среднем, значительных стоимостных и временных затрат на выпуск проектно-конетрукторской документации. Простое привлечение дополнительных трудовых ресурсов в сферу проект-но-конструкторских работ не даёт существенного эффекта в повышении производительности труда [9, 67]. К тому же таких ресурсов всегда не хватало как в качественном, так и в количественном отношении. Путь один -автоматизация инженерной деятельности на основе использования средств вычислительной техники (ВТ).

Автоматизация проектных работ началась практически одновременно и использованием нерьхлх компьютеров |61| и развивалась почли синхронно с их совершенствованием, с разработкой новых систем программирования. С самого начала возникновение этой проблемы стоял извечные вопрос, \\4iu ашиматизиривсив и как ав±омашоироваАъг» /тииализ

процесса разработки систем автоматизированного проектирования (САПР) в ретроспективе и с точки зрения «как автоматизировать?» позволяет выделить . , , , , . , которую можно определить как «автоматизированное проектирование - это тоже самое проектирование, только автоматизированное».

Такое мнение было достаточно живуче и приводило к планированию и отчётности работ по автоматизации по объёму проводимых расчётов или выполненных чертежей, приведённых к наименьшему формату [24].

Такой подход к проблеме академик В.М. Тлушков образно определил как «попытку приделать реактивный двигатель к телеге» [13].

Действительно, организационные и технические начала всего цикла проектно-конструкторских работ при традиционном проектировании не могут соответствовать реальным требованиям при подходе к этим процессам с точки зрения их автоматизации.

Автоматизированное проектирование - это новый вид проектирования, который по своим методическим, организационным, техническим и информационным аспектам в корне отличается от обычного проектирования. Изменяются методы выработки, принятия и утверждешш решений {24,56|, поиск требуемой информации и порядок её обработки, изменяется не только вид документирующей информации и способы её хранения, но и собственно документооборот, изменяется представление о про-

г.___ .. - . г _ . - . _ __________

само существо проектно-конструктореких работ. В конечном итоге вы-кристализовакось понимание, что предметом автоматизации должен быть собственно процесс проектирования, который, конечно, должен иметь особенности, будучи реализованным для конкретных объектов и в условиях конкретного производства.

х.^. 1гроцесс проектирования и конструирования и проблема его автоматизации.

Строго разделить проектирование и конструирование не представляется возможным [56,84]. Такое деление можно осуществить достаточно условно. Например, к проектированию можно отнести поиск принципиального решения для выполнения изделием требуемых функций, определение структуры и структурных параметров, проверку решений расчётами. К конструированию можно отнести определение геометрических форм входящих в изделие элементов и соотнесение их друг с другом. В блок-схеме технологии процесса проектирования (рис. 1) иллюстрируется, как осуществляется на пк«^.ке проектирование и конструирование изделий. Из него видно, что конечной задачей проектирования и конструирования является разработка документации, необходимой для мон-

тажа, испытания и эксплуатации, создаваемой конструкции. Документация, получаемая з результате проектирования и конструирования, носит единое название - проект. Порядок проектирования изделий включает в себя несколько укрупнённых этапов [26,93].

н Разработка техническ