автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка метода и инструментальных средств визуального моделирования и документирования системы знаний предметных задач при проектировании САПР машиностроительного назначения

На правах рукописи

БЫЧКОВА НАТАЛЬЯ АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ВИЗУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ДОКУМЕНТИРОВАНИЯ

СИСТЕМЫ ЗНАНИЙ ПРЕДМЕТНЫХ ЗАДАЧ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ САПР МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена на кафедре «Когнитивные технологии проектирования» в ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАЬЖИН»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Волкова Галина Дмитриевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Цырков Александр Владимирович

кандидат технических наук Сирота Илья Михайлович

Ведущая организация: ОАО «Экспериментальный научно-

исследовательский институт металлорежущих станков» (ОАО «ЭНИМС»)

Защита состоится » аи^Ас^ 2006 года в/^ часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127994, г.Москва, Вадковский пер., 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан марта 2006г.

Ученый секретарь диссертационного

Совета Д 212.142.03, к.т.н. Семячкова Е.Г.

А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современных условиях развитие производства и модернизация выпускаемых машин требуют постоянного создания новых и усовершенствования существующих автоматизированных систем, поддерживающих различные этапы жизненного цикла изделия. Своевременная поставка конкурентоспособных изделий на рынок обеспечивается минимизацией затрат времени и повышением качества при проектировании и производстве этих изделий. Автоматизация процесса проектирования должна учитывать все его связи с другими фазами жизненного цикла изделия. Необходимость выявления и фиксации этого многообразия связей существенно усложняет процесс разработки САПР.

В настоящее время для разработки прикладных автоматизированных систем используется широкий спектр инструментальных средств, поддерживающих определенные методологии создания автоматизированных систем различного назначения. Применение традиционных методов и средств разработки автоматизированных систем при разработке САПР машиностроительного назначения затруднено из-за специфических особенностей проектно-конструкторской деятельности. В то же время, применение в современных методологиях визуальных конструкций при создании автоматизированных систем является удобным и информативным. Можно выделить такие существенные особенности проектно-конструкторской деятельности, влияющие на процесс создания САПР, как: неполноту начальных условий, наличие разных модельных аспектов проектируемого объекта, итерационный и неформализованный процесс разработки объектов, сложную структуру объектов проектирования и т.д.

Одним из подходов в области автоматизации проектирования, решающих указанные проблемы, является разработанная на кафедрах «Информационные технологии и вычислительные системы» и «Когнитивные технологии проектирования» МГТУ «СТАНКИН» методология автоматизации интеллектуального труда (МАИТ), поддерживающая создание автоматизированных систем промышленным способом. В рамках МАИТ концептуальное моделирование предметных задач позволяет фиксировать систему знаний предметной области в виде формализованных моделей, обеспечивая тем самым смысловое единство всех последующих формально-языковых представлений этих задач. Результаты моделирования представляются в форме диаграмм и спецификаций.

Существующие инструментальные средства поддержки концептуального моделирования настроены на создание модели системы знаний предметной задачи по полуавтоматизированной или автоматизированной технологии и обладают рядом недостатков, препятствующих их эффективному использованию при моделировании проектно-конструкторских задач. Использование средств, поддерживающих полуавтоматизированную технологию, приводит к возникновению случайных ошибок при переносе информации с диаграмм на традиционных базы

данных. Разработанные средства авто

•логии

поддерживают создание только функционального компонента модели, не позволяя при этом формировать единое представление данного компонента. Результатом работы этих средств является набор диаграмм и спецификаций для системы предметных зависимостей, не подлежащий последующей интеграции. Таким образом, разработка полного набора средств визуального концептуального моделирования и документирования по автоматизированной технологии при создании САПР для машиностроения становится актуальной задачей.

Выявленные проблемы, связанные с поддержкой системы предметных знаний при проектировании САПР, определили необходимость разработки метода и инструментальных средств визуального концептуального моделирования и документирования. Это позволило сформулировать цель работы и поставить научную задачу.

Целью работы является повышение эффективности процесса проектирования САПР машиностроительного назначения за счет разработки метода визуального моделирования и документирования системы знаний проектно-конструкторских задач, который позволит формировать набор визуальных конструкций по всем компонентам концептуальной модели и связанный с ними комплект графических и табличных документов.

Для достижения поставленной цели в работе решена научная задача, заключающаяся в выявлении связей между характеристиками семантических конструкций, графовых моделей и их документного представления при моделировании системы знаний проектно-конструкторских задач и включающая:

- исследование методов и средств визуального моделирования и разработки прикладных автоматизированных систем;

- выявление особенностей визуального описания модели системы знаний проектно-конструкторских задач;

- разработку формального описания визуального представления концептуальных моделей;

- разработку методики визуального моделирования и документирования концептуального представления предметных задач;

- разработку инструментальных средств поддержки визуального моделирования и документирования концептуальных представлений при проектировании САПР машиностроительного назначения.

Научная новизна:

- установлены связи между характеристиками визуальной концептуальной модели проектно-конструкторских задач и свойствами её документного представления, позволяющие осуществить переход от безразмерных логических конструкций модели к размерно-ограниченным графическим и текстовым документам;

- разработано формальное описание визуального концептуального представления предметных задач, включающее описание ограничений на взаимосвязи элементов концептуальных структур, как системы предметных зависимостей 2-го рода;

- разработано формальное описание процедуры синтеза графовых конструкций для системы предметных зависимостей 1-го рода, позволяющее автоматизировать размещение типовых конструкций на отдельных диаграммах графического документа и сквозное кодирование элементов всех диаграмм.

Методы исследования. При разработке теоретических положений диссертационной работы использован аппарат теории множеств, математической логики, реляционной алгебры и теории графов.

Практическая ценность:

- разработана методика визуального моделирования и документирования концептуального представления проектно-конструкторских задач, охватывающая процедуры формирования визуальных конструкций функциональной, понятийной и содержательной компонент семантической модели, процедуры деления размерно-неограниченных графовых конструкций на сегменты, размещения их на листах (документах) фиксированного размера и процедуры документирования концептуальных представлений проектно-конструкторских задач;

- разработано инструментальное средство поддержки визуализации и документирования компонентов концептуальной модели, функционирующее по автоматизированной технологии создания системы знаний предметных задач, и позволяющее получить набор текстовой и графической документации результатов концептуального моделирования при создании САПР машиностроительного назначения;

Разработанные методика и инструментальные средства были применены при автоматизации задач комплекса «Расчеты зубчатых передач», проектировании корпоративной информационной системы для управления качеством образовательного учреждения, а также реинжиниринге и моделировании бизнес-процессов.

Апробация работы. По материалам работы сделаны доклады на У-й, У1-Й и УШ-ой научных конференциях МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» -ИММ РАН» Москва, 2002, 2003, 2005; международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и промышленности» 2005; 1У-Й Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством» ГОУ ВПО «МАТИ» 2005.

Результаты работы использовались в ходе проведения лабораторных работ и курсовых проектов по дисциплине «Концептуальное моделирование предметных задач» для специальности 22.03, обсуждались на заседаниях кафедры КТП.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (Уй наим.) и приложений. Работа содержит,/ХГс. сквозной нумерации, включая рис. и /Д/с. приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Анализ существующих методов и средств визуального моделирования и обработки предметных задач при создании прикладных автоматизированных систем

В данной главе рассмотрены основные методологии и подходы при создании прикладных автоматизированных систем, проведено исследование и анализ существующих инструментальных средств поддержки жизненного цикла автоматизированных систем с учетом возможности их использования при автоматизации проектирования технических систем.

К рассмотренным методологиям и подходам, применяемым в настоящее время в практике автоматизации информационных и интеллектуальных задач, следует отнести:

- SADT-методологию (Structured Analysis and Design Technique) для структурного анализа и проектирования производственных и деловых процессов;

- объектно-ориентированную методологию создания программных систем;

- ARIS-методологию моделирования деятельности предприятий;

- методологию автоматизации интеллектуального труда.

Методологии рассмотрены и проанализированы с учетом таких характеристик, как: набор модельных представлений; этапы жизненного цикла создаваемой прикладной автоматизированной системы; возможности развития методологии; достоинства и недостатки при создании, эксплуатации и развитии прикладной автоматизированной системы.

Проведенный анализ позволил выявить следующие достоинства перечисленных методологий:

- многоаспектность создаваемых модельных представлений проектируемой автоматизированной системы;

- наглядность и простота графических элементов для описания отдельных модельных представлений;

- использование модельных представлений на отдельных этапах процесса разработки программных комплексов;

- ориентированность на работу с крупными проектами (по длительности и масштабам).

При этом анализ показал ряд существенных недостатков, свойственных большинству традиционных методологий:

- отражение в модельных представлениях отдельных точек зрения на автоматизируемую задачу;

- сопряжение модельных представлений для различных аспектов задачи возлагается на разработчика автоматизированной системы и зависит от его опыта и квалификации;

- создаваемое описание разрабатываемой системы жестко ориентировано на возможности ее реализации в выбранной программно-технической среде.

В основе большинства современных инструментальных средств

б

создания прикладных автоматизированных систем использованы перечисленные методологии. Анализ существующих инструментальных средств для разных стадий создания прикладных автоматизированных систем и использующих визуальное представление информации, был выполнен с учетом таких критериев, как: среда функционирования, надежность, удобство использования, эффективность, переносимость, настраиваемость и стоимость.

Проведенный анализ включал наиболее распространенные программные средства поддержки существующих методологий и подходов к созданию прикладных автоматизированных систем, таких как: продукты BPWin и ERWin, пакет "СА5Е.Аналитик" (microTOOL GmbH), WorkFlow Analyzer (Meta Software), Designer/2000 (Oracle), ProKit*WORKBENCH (McDonnell Douglas Information Systems), S-Designer (Sybase/Powersoft), Silverrun (Computer Systems Advisers), Visible Analyst Workbench (Visible Systems), Power Designer и др. Эти программные средства ориентированы на работу с одной или несколькими методологиями.

Анализ инструментальных средств, использующих визуальное представление автоматизируемых задач показал, что пакеты, имеющие возможность настройки и охватывающие весь жизненный цикл системы (Oracle Designer, Silverrun), имеют высокую стоимость, их внедрение и эксплуатация требуют больших материальных и трудовых затрат. Некоторые пакеты (ERwin, BPwin, Power Designer) ориентированы на методологию, поддерживающую определенный этап процесса разработки системы или аспект модели (например, информационный, функциональный и т.д.). Наличие в программных средствах возможности настроек на различные модели усложняет их и увеличивает стоимость, затрудняет их освоение.

Использование CASE-средств (Computer Aided Software Engineering) при создании САПР для машиностроения является недостаточно эффективным из-за специфических особенностей проектно-конструкторской деятельности. Исследования в области проектирования, разработки и функционирования технических систем связаны с именами таких отечественных и зарубежных ученых, как Соломенцев Ю.М., Павлов В.В., Митрофанов В.Г., Камаев В.А., Попов В.В., Косов М.Г., Половинкин А.И. и др.

К особенностям проектно-конструкторской деятельности можно отнести:

- минимальный объем информации на начальных этапах проектирования машиностроительных объектов;

- наличие множества аспектов описания проектируемого объекта;

- итерационный и неформализованный процесс разработки объектов;

- наличие недокументированных знаний, используемых для получения проектных решений;

- распараллеливание проектных работ, обуславливающее необходимость неформального согласования их результатов.

Значительный вклад в разработку методов автоматизированного проектирования машиностроительных объектов и технологий внесли Пав-

лов В.В., Гусев А.А., Горнев В.Ф., Норенков И.П., Соколов В.П., Аверчен-ков В.И. и др.

Поэтому перечисленные методологии создания прикладных автоматизированных систем находят наибольшее применение в областях, требующих решения задач небольшой сложности или областях с хорошо объективированной информацией, где преобладают информационно-поисковые процедуры с несложной статистической обработкой хранимых данных.

Методология автоматизации интеллектуального труда (МАИТ) поддерживает создание прикладных автоматизированных систем и САПР промышленным способом. Ключевую роль при создании системы автоматизированного проектирования играет концептуальное моделирование. Компонентами концептуальной модели являются:

- концептуальные структуры;

- системы предметных зависимостей;

- модель в целом, увязывающая концептуальные структуры и системы предметных зависимостей 1 -го рода.

Каждый компонент модели в рамках МАИТ представлен в двух формах: в виде диаграмм (графическое представление) и спецификаций (табличное представление).

Автоматизация концептуального моделирования проектно-конструкторских задач проходила в соответствии с несколькими технологиями:

- полуавтоматизированная технология моделирования, в рамках которой формирование спецификаций выполнялось на ЭВМ;

- автоматизированная технология, при которой осуществляется диалоговое формирование диаграмм и автоматическое создание спецификаций.

Разработанные ранее инструментальные средства поддержи концептуального моделирования в рамках МАИТ обладают рядом недостатков, снижающих эффективность построения семантической модели предметной задачи:

- перенос информации с диаграмм на традиционных носителях в таблицы базы данных связан с появлением случайных ошибок;

- автоматизированная технология концептуального моделирования реализована только для системы предметных зависимостей;

- отсутствие интеграции набора диаграмм для получения единого визуального представления этой составляющей модели;

- проблемы размещения визуальных конструкций при документировании результатов концептуального моделирования.

Исходя из полученных результатов анализа, был сделан вывод о необходимости разработки метода и инструментальных средств поддержки визуального концептуального представления по автоматизированной технологии. Это позволило сформулировать цель работы и поставить научную задачу для ее достижения.

Глава 2. Разработка метода визуального моделирования, обработки и документирования основных концептуальных конструкций для концептуального проектирования предметных задач

Визуальное представление и моделирование системы знаний проектно-конструкторских задач позволяет наглядно фиксировать образные семантические конструкции, отражающие процесс решения этих задач и содержательные аспекты проектных действий. Процесс формирования этих конструкций в вычислительной среде связан с необходимостью использования их аналитического описания, графического отображения и документного представления.

В данной главе приведено формальное описание взаимосвязанных аналитических, графических и документных конструкций. Исходным для такого описания является формальное описание концептуального представления проектно-конструкторских задач.

Концептуальное представление n-ой предметной задачи формально описывается набором моделей в виде:

КР{п) =< КР2(п),КРЪ(п)>, (1)

где КР2(п) - концептуальная модель n-ой предметной задачи на объектном уровне;

КРЪ(п) = {КРЗ(пт)}, (2)

где КРЗ(пт)~ концептуальная модель конкретного уровня m-ой реализации n-ой предметной задачи.

Концептуальная модель любого уровня абстрагирования для и-ой предметной задачи имеет вид:

KPi(z) =< МО),THi(z), Wi{z) >, (3)

где 2=и описывает концептуальную модель и-ой предметной задачи объектного уровня (i=2), z=nm описывает концептуальную модель т-й реализации и-ой предметной задачи конкретного уровня (i=3); Mi(z) - множество категорий; THi(z)- множество статических отношений на категориях; FUi(z) - множество динамических отношений;M(z) = {mtJ} - множество

категорий г'-го уровня.

Статические отношения представлены набором структур: THi(z) =< Ti(z), Hi(z), Hi(z), Thi(z)>, (4)

где Ti(z) с Mi(z) x Mi(z) - множество бинарных отношений на Mi(z), Hi(z) a Mi(z) x Mi(z) x Mi(z) - множество тернарных отношений на

Mi(z), Hi(z) = {h'k} - множество схем категорий, Thi(z) cz Hi(z)x Hi(z)-множество бинарных отношений на Hi(z).

Динамические отношения представлены двумя системами предметных зависимостей:

FÜi(z)=<Fl(z),Ül(z)>, (5)

= (6) где Кг'(г) = {у,4} - множество предметных зависимостей 1-го рода г'-го уровня абстрагирования, FFг'(z) с Кг'(г) х Кг'(г) - множество бинарных

отношений на Кг(г).

Ограничение отражает существование функционального отношения на подмножестве множества М(г) в виде: /1: МЦг) —> Кг'(г).

= (7)

где (?/(г) = } - множество предметных зависимостей 2-го рода г'-го уровня абстрагирования, иОЦг) - множество бинарных

отношений на (¿¡(г).

Ограничение отражает существование квазифункционального отношения на подмножестве множества Ш(г) в виде: /2: НЦг) -> Qi(z). На объектном уровне:

- соотношения между предметными зависимостями 1-го рода и предметными категориями можно представить (позиция (1) рисунка 1):

^р(и,и1р) = (аА,...,а^)игр &б«Р(я) , (8)

где (2*? (п) - условие, определяющее особые связи структурных и контекстуальных предметных категорий, и индекс помечает подмножество множества Л, предметных категорий, которое характеризует зр-е, ограничение или предметную зависимость для выделенной предметной задачи;

- соотношения между предметными зависимостями 2-го рода и предметными категориями можно представить (позиция (2) рисунка 1):

(9)

где /7-,(2_5/' (п) - условие, определяющее особые связи монадических предметных категорий в рамках схем предметных категорий. На конкретном уровне:

- соотношения между экземплярами предметных зависимостей 1-го рода и экземплярами предметных категорий можно представить (позиция (3) рисунка 1):

~Р?0. и1р1) = (Ь/1.....Ь»)^ & Н%1(пт), (10)

где Ъ{х еВ^(пт), еВ]д(пт) - структурные экземпляры предмет-

ных категорий }-го подмножества; Н^'(пт) - отражает соотношения структурных и контекстуальных экземпляров предметных категорий в рамках 5/?/-го ограничения 1-го рода; индекс и!р1 помечает подмножества В]{(пт), ..., В^(пт) множества экземпляров предметных категорий, которые характеризует 5р/-ое ограничение 1-го рода;

ю

- соотношения между экземплярами предметных зависимостей 2-го рода и экземплярами предметных категорий можно представить (позиция (4) рисунка 1):

и1рг) = (Ь?, &Р^рг(пт), (11)

где Г^рг(пт) - отражает соотношения монадических и контекстуальных экземпляров предметных категорий в рамках схем экземпляров предметных категорий.

В общем виде структура компонентов формального описания концептуального представления предметных задач для двух уровней абстрагирования представлена на рисунке 1.

Рис.1. Структура формального описания концептуального представления предметных задач, где индексация составляющих модели КР 1]к-г может быть описана: г - уровень абстрагирования модели; у - вид составляющей модели: у'=/ - статическая составляющая, ]=2 - динамическая составляющая; к - тип концептуальных конструкций модели: к=1 - основные конструкции/ограничения на основные конструкции, к=2 - производные конструкции/ограничения на производные конструкции; г=п описывает концептуальную модель п-ок предметной задачи, 2=пт описывает концептуальную модель и-ой предметной задачи т -ной реализации.

Ранее выполненное математическое описание визуального представления системы знаний предметной задачи имело вид:

вР{п) = (вР2(п), вЩп)), (12)

где СР2(л) - математическое описание визуального представления для концептуальной модели объектного уровня для л-й задачи;

ОРЗ(п) = \ОРЪ(пт)} , где ОРЪ(пт) - математическое описание визуального представления для концептуальной модели конкретного уровня л-й задачи.

(ЭД = {СП(*)Ь (13)

СР1(7) = (УТ1(2\ЕТ1(2)), (14)

где каждый граф, включающий множества вершин и ребер, отражает соответствующую концептуальную конструкцию: концептуальную структуру на категориях, систему предметных зависимостей и увязку категорий и предметных зависимостей.

Отсутствие в данном математическом описании связи с документным представлением не позволило в реализации задачи визуального моделирования обеспечить связность конструкций.

Поскольку автоматизация концептуального моделирования предметных задач выполняется для основных конструкций модели системы знаний (а именно, для формирования и обработки концептуальных структур на предметных категориях, системы предметных зависимостей и их увязки), то необходимо выполнить процедуру концептуального моделирования для самой задачи концептуального моделирования. Для этого была построена концептуальная структура на предметных категориях, фрагмент которой приведен на рисунке 2.

Процесс «визуального моделирования»

Спецификационное представление

0

Набор спецификаций

ребро элемент Образ позиции Позиция Спецификация

изображения

Рис. 2. Фрагмент концептуальной структуры задачи «визуального моделирования»

Формальное описание этой структуры имеет вид: Аг (и) = Р(п) = {ра} - множество предметных процессов;

(и) = Z, (л) = {za} - множество предметных задач; А4 (л) = К(п) = {кj} - множество предметных компонентов;

А5 (п) = О, (л) = {о/} - множество предметных объектов;

А6 (п) = Я(п) - множество предметных признаков.

В качестве компонентов задачи (га) были выделены следующие: графовое представление (ку) , логическая структура (к5), графическое представление (кд), размещение графового представления (кр), табличное представление (к,). Особенностью формирования концептуальной структуры предметной задачи (га ) является насыщение компонентов множеством объектов разных уровней сложности. Основными объектами графового представления являются: граф - безразмерная иерархическая конструкция, состоящая из множества вершин и ребер. Логическая структура визуального представления представлена объектами: логическая диаграмма, включающая макроэлементы изображения - логические конструкции, состоящие из совокупности простых элементов, объединенных в «родительском элементе» вышестоящего уровня. Документное представление результатов концептуального моделирования состоит из набора текстовых и графических документов. Графическое представление включает набор функциональных, понятийных и содержательных диаграмм. Диаграммы проекта размещаются на листах, состоящих из страниц фиксированного размера и содержащих определенное число позиций - стандартных ячеек для размещения элементов изображения. Текстовые документы представлены таблицами, соответствующими спецификациям МАИТ.

Множество бинарных связей на предметных категориях задачи (га) включает связи вида «состав», «упорядочивание» и «компоновка»:

Т2(п) = {1/1, (п), 1_А1 {п)А] (п), 1А1 (п) / А] (п)}, где 1, ] обозначают класс предметных категорий, /' = 2 + 6, у = 3 н- 6.

Варианты схем предметной задачи (га) формально могут быть описаны:

= ^ * Л' * Л' Р * * (15>

а 2аК/°1 2ак!°! гакч°к гаКр°1 гаК1°т

Построение схем предметных категорий для задачи (га) с учетом выделенных множеств связано с комбинаторным перебором всех возможных сочетаний объектов для компонентов задачи.

Формальным аппаратом для описания концептуальной структуры автоматизируемой задачи является система зависимостей 2-го рода, включающая производные конструкции концептуальной модели и ограничения на них на объектном уровне. Система зависимостей 2-го рода отражает существование ограничений на допустимые сочетания монадических предметных категорий в рамках схем категорий.

Наложение ограничений на сочетание объектов в виде предметных зависимостей 2-го рода позволяет сократить количество вариантов схем для задачи (га) путем исключения сочетаний предметных категорий, не имеющих смысла для данной предметной задачи. Ограничения на соотношение разных объектов задачи (га) представлено на рисунке 3.

- Обозначает связь между предметными категориями разных классов

-------- Обозначает связь между предметными категориями класса «объект», принадлежащими одному классу «компонент»

----Обозначает связь между предметными категориями класса «объект», принадлежащими к разным классам «компонент»

Рис. 3. Фрагмент концептуальной структуры задачи «визуального моделирования» с учетом ограничений на сочетания предметных категорий

Множество зависимостей 2-го рода и 1-го типа задачи «визуального моделирования» графически может быть представлено, как показано на рисунке 4, и формально описывается следующим образом, с учетом формулы 9:

типа задачи «визуального моделирования»

{й'={?£}. 4(3,1 ,и5р) = (о{,о%очк,о1',о'т)и1р&н[а, (16)

где выполнены следующие соотношения:Л5(п) = 0(п) = (о{ ,о* ,очк ¡о^,о'т) и /^(я).^.

Для описания процесса визуального моделирования основных концептуальных конструкций (заштрихованные элементы концептуальной модели предметной задачи на рисунке 1) используется формальный аппарат системы предметных зависимостей 2-го рода (затемненные элементы концептуальной модели на рисунке 1).

Выполненное формальное описание визуальных компонентов концептуальной модели позволило перейти к разработке методики визуального моделирования и документирования системы знаний проектно-конструкторских задач.

Глава 3. Разработка методики визуального моделирования и документирования концептуального представления предметных задач

В данной главе изложена методика построения и документирования визуальных конструкций концептуальных моделей проектно-конструкторских задач. Разработанная методика используется при автоматизированной технологии формирования модели системы знаний выделенной предметной области. Методика основывается на формировании концептуальной модели предметной задачи в виде диаграмм визуального представления системы знаний с последующей автоматической фиксацией результатов моделирования в виде форм, соответствующих спецификациям методологии АИТ. Разработаны алгоритмы выполнения процедур:

- формирования визуальных конструкций функциональной, понятийной и содержательной компонент семантической модели;

- деления размерно-неограниченных графовых конструкций на сегменты;

- размещения макроэлементов изображения на диаграммах (документах) фиксированного размера;

- документирования концептуальных представлений предметных задач.

Приведены правила заполнения спецификаций для описания получаемых данных, а также сформулированы требования к виду и содержанию необходимого набора документов для хранения и передачи описаний визуальной концептуальной модели на бумажных носителях.

Для создания методики была решена проблема перехода из абстрактного пространства визуального представления концептуальной модели в размерно-ограниченное пространство системы документирования. Для каждой составляющей визуальной модели сформулированы правила построения и кодирования. При этом необходимо было учитывать соглашения о размерах, взаимном расположении и связях элементов моделей.

Особенности формирования визуальной функциональной структуры

Функциональная структура отражает состав и связи множества предметных зависимостей 1-го рода, используемых при решении проект-но-конструкторской задачи.

Состав и размер функциональной структуры зависит от сложности предметной области, поэтому она разбивается на листы проекта, и количество листов определяется сложностью и объемом проектируемой задачи. Лист проекта функциональной структуры разбивается на диаграммы по позиционному (матричному) принципу. Каждый лист состоит из строк и столбцов диаграмм. Заглавная диаграмма листа располагается в позиции (0,0), все остальные диаграммы - начиная с позиции (1,1). В первой строке располагаются диаграммы, являющиеся продолжениями заглавной. Продолжения диаграмм из первой строки располагаются в столбцах под своей родительской диаграммой. Код диаграммы включает код листа, номер строки и номер столбца диаграммы в листе. Порядок помещения диаграмм в строки и столбцы определяется порядком следования подзадач в составе предметной задачи. Каждая диаграмма функциональной структуры разделена на 6 строк по 6 ячеек в каждой строке.

Структура функционального графа определяется наличием в ней комбинаций из повторяющихся функциональных конструкций (макроэлементов). При этом макроэлемент диаграммы не может быть разбит между диаграммами. Макроэлементами для диаграмм функциональной структуры являются конструкции «последовательность», «цикл» и «альтернатива». Количество последовательных элементов в них ограничено шестью в соответствии с размерами диаграмм. Предметные зависимости изображаются на диаграммах функциональной структуры в виде прямоугольников (рисунок 5).

Ш] у П1 1 д П7 1 Ье

гЧ ^ ь Ч 1- Т <11 Ьр« Ш2 1 1

ш ■ чи ш ■ кгС ..... ..,1) |Щ ШШя

ШШЬ -Щг

и ш

Рис.5. Размещение и виды макроэлементов визуального функционального представления

На основе теоретических положений разработана методика синтеза предметных зависимостей 1-го рода в пределах диаграммы. Так как каждая из функциональных конструкций является неделимой, то при формировании систем предметных зависимостей необходимо определить, достаточно ли для ее размещения места на диаграмме. При нехватке места на диаграмме для размещения макроэлемента необходимо создать новую диаграмму, которая будет являться «дочерней» по отношению к той, на которой был расположен «родительский элемент» конструкции. Так как базовые конструкции имеют фиксированный размер на диаграмме, то при их добавлении на лист необходимо определять положения родительского элемента. Проблема интеграции набора функциональных сегментов модели в пределах проекта была решена введением для элементов двойной кодировки. Первая является «локальной» и показывает место предметной зависимости на диаграмме. Вторая кодировка - «сквозная», позиционирует элемент изображения в пределах всего проекта.

По результатам визуального функционального моделирования автоматически формируются спецификации ИЗ и Р4 методологии МАИТ, и содержащие описание предметных зависимостей 1-го рода и связей между ними.

Особенности формирования визуальной понятийной структуры

Концептуальная структура представляет собой сложную иерархическую конструкцию, в которой каждый слой иерархии отражает класс категорий и представляет сетевую конструкцию на множестве предметных категорий.

Для оформления визуального представления концептуальных структур предусмотрена следующая логическая организация: каждый слой иерархии, состоящий из множества предметных категорий, формируется по следующим классам: цикл, процесс, задача, компонент, объект, признак, значение. Каждый лист проекта понятийной структуры содержит два уровня общей иерархии категорий. Таким образом, всего имеется пять видов листов, обозначаемых в соответствии с обозначением класса старшей из отображаемых на нем предметных категорий. При этом листы

типов цикл, задача и объект будут отражать связь контекстуальных и структурных предметных категорий, а листы типов процесс и компонент -структурных и монадических предметных категорий.

На диаграмме располагается одна предметная категория старшего уровня и множество связанных с ней предметных категорий младшего уровня. Диаграммы понятийной структуры содержат 2 ряда по 6 ячеек-сегментов. На диаграммах понятийной структуры имеется два вида макроэлементов: сочетание контекстуальной и структурных предметных категорий и сочетание структурной и монадических категорий. При работе с диаграммами, предметные категории наносятся в составе концептуальных конструкций, являющихся макроэлементами диаграмм (рисунок 6).

МЭ "контекстуальные и структурные ПК" МЭ "структурные н монадические ПК"

Рис.6. Виды макроэлементов визуального понятийного представления

По результатам визуального моделирования понятийных структур автоматически формируются спецификации Р1 и Р2, содержащие описание предметных категорий и связей между ними.

Особенности формирования визуальной содержательной структуры

Матричная диаграмма отражает модельное представление задачи в целом, она представляет собой структуру, состоящую из вертикальных и горизонтальных заголовков, увязанных между собой.

В вертикальном заголовке формируется список кодов всех предметных зависимостей, упорядоченный по принципу обхода структуры предметных зависимостей сверху вниз и слева на право и отражающий последовательный процесс решения задачи. Для формирования заголовка нужно проводить интеграцию множества предметных зависимостей, размещенных на разных функциональных диаграммах.

Концептуальная структура служит входной информацией для формирования горизонтального заголовка. Он представлен множеством предметных категорий, в виде семиуровневого описания, соответствующего классам предметных категорий в концептуальной структуре. В зависимости от структурных и ролевых свойств предметных зависимостей поле матричной диаграммы будет заполняться определенными символами. По результатам проведения визуального моделирования содержательных структур автоматически формируется спецификация Р6 методологии МАИТ, содержащая описание увязки предметных зависимостей 1-го рода и предметных категорий.

Для оценки корректности выполнения проекта разработана методика проведения анализа правильности построения концептуальной модели,

выявляющая ошибки при формировании матричной диаграммы предметной задачи.

Разработка данной методики позволила перейти к созданию инструментальных средств поддержки визуального моделирования системы знаний предметных задач.

Глава 4. Разработка программных средств поддержки визуального моделирования системы знаний предметных задач

Разработанные автоматизированные процедуры являются программными модулями, расширяющими возможности программного комплекса поддержки визуального концептуального моделирования «CODA».

В качестве среды реализации была выбрана программная среда Borland С++ Builder. Данное средство разработки ориентировано на создание приложений, имеющих графический интерфейс пользователя, многооконный интерфейс и поддерживающих работу с данными. Средства выбранной среды разработки позволяют поддерживать широкий спектр СУБД для хранения данных проекта. Была выбрана целевая СУБД, поддерживающая локальное хранение таблиц в отдельных файлах - СУБД Paradox, которая обеспечивает компактность хранения информации.

Реализация автоматизированного комплекса «CODA» включала организацию вычислительной среды: разработку структуры и состава информационной базы; создание необходимых таблиц, содержащих описание модели; набор программных модулей, обеспечивающих выполнение процедур концептуального моделирования; инструкции по эксплуатации автоматизированного комплекса для пользователя и администратора системы.

Программный комплекс состоит из трех основных функциональных модулей, обеспечивающих поддержку всех составляющих концептуального представления предметной задачи:

- модуль системы предметных зависимостей 1-го рода;

- модуль концептуальной структуры;

- модуль модели в целом - увязки в единое целое системы предметных зависимостей 1-го рода и концептуальной структуры.

Для получения различных видов документов по результатам концептуального моделирования и управления процессом разработки проектов в программном комплексе предусмотрены служебные модули:

- модуль системы управления проектами;

- модуль документирования результатов концептуального моделирования.

Каждый из основных модулей программного комплекса включает функции: анализа параметров модели; моделирования; формирования изображения; работы с файлами проекта; вспомогательные функции.

Примеры форм интерфейса программного комплекса по формированию концептуальных конструкций приведены на рисунке 7 и включают формы для создания функциональной, понятийной и содержательной структур.

I I

Рис. 7. Виды интерфейсов программного комплекса «CODA» по формированию концептуальных конструкций

Документирование результатов концептуального моделирования проводится с использованием трех вариантов документов (рисунок 9): - сокращенное документирование, включающее набор текстовых форм концептуального представления предметной задачи и отчеты по каждой составляющей модели;

- промежуточное документирование, включающее набор текстовых и графических документов, формируемый в соответствии с требованиями пользователя;

- полное документирование, содержащее набор всех текстовых и графических документов по результатам моделирования, а также отчеты по проекту и пояснения к диаграммам концептуальной модели проектируемой задачи.

Система управления проектами в программном комплексе «CODA» предусматривает независимое выполнение этапов концептуального моделирования различными группами пользователей. Выделены три категории пользователей: администратор, эксперт и аналитик. Допустимые виды работ по проектированию, администрированию и управлению проектами в программном комплексе распределяются между выделенными категориями специалистов.

Структура файловой системы рабочего пространства подразделяется на рабочую и служебную директории проекта и представлена на рисунке 8. В рабочей зоне проекта хранится информация о завершенных или разрабатываемых проектах, в которой содержатся как файлы спецификаций концептуального моделирования, так и служебные файлы, необходимые для построения визуальных представлений разных компонентов модели. В служебной зоне файловой системы программного комплекса создаются таблицы, хранящие информацию по управлению проектами и включающие служебную информацию по проектам и пользователям системы._

кпз|

П31

1 _ 1 П3п| I Служ. табл

KS

MD I

проекта

¡RM^ DORM

In

таблицы

F3

F4

:лужебиые таблицы ACT ARR

Т

Служ. табл, П31 I

таблицы Fl F2

служебные таблицы KS ACT KS ARR

таблица F6

таблицы predz users sessions

таблицы projects, users, relations

Рис. 8. Структура размещения каталогов и файлов проекта Для удобства работы пользователя с системой в программном комплексе предусмотрена справочная система, включающая различные виды контекстных справок по функциям комплекса и систему обучения пользователей работе с графическим редактором.

Рис. 9. Виды проектной документации программного комплекса «CODA»

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Выполненные исследования и практическая работа позволили получить следующие выводы и результаты:

1. Решена актуальная научная задача, состоящая в разработке метода визуального моделирования и документирования системы знаний проектно-конструкторских задач, что обеспечивает повышение эффективности моделирования системы знаний проектно-конструкторских задач и, соответственно, процесса проектирования САПР машиностроительного назначения.

2. Формальное описание визуального концептуального представления предметных задач, включающее описание системы ограничений на взаимосвязи элементов производных концептуальных структур, позволяет осуществить переход из абстрактного пространства визуального представления концептуальной модели в размерно-ограниченное пространство системы документирования.

3. Формальное описание процедуры синтеза графовых конструкций для системы ограничений на основные концептуальные структуры позволяет автоматизировать размещение типовых конструкций на отдельных функциональных диаграммах графического документа и сквозное кодирование элементов всех диаграмм.

4. Разработанная на основе полученного формального описания методика визуального моделирования и документирования концептуальных представлений предметных задач содержит алгоритмы формирования основных концептуальных конструкций семантической модели, деления размерно-неограниченных графовых конструкций на сегменты, размещения макроэлементов изображения на диаграммах фиксированного размера, документирования концептуальных представлений предметных задач.

5. Разработанный программный комплекс визуального концептуального моделирования предметных задач по автоматизированной технологии расширяет возможности инструментальных средств поддержки методологии автоматизации интеллектуального труда при проектировании САПР машиностроительного назначения и использован для проведения курсовых и лабораторных работ по курсу «Концептуальное моделирование предметных задач».

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бычкова H.A. Формальное описание синтеза визуального представления структуры предметных зависимостей при концептуальном моделировании прикладных автоматизированных систем. II Материалы V-й научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-научного

центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН», М. 2002г., с. 65-68.

2. Червяков Л.М., Волкова Г.Д., Щукин М.В., Бычкова H.A. Инструментальные средства для анализа и моделирования задач управления качеством при создании корпоративных информационных систем. // Материалы научной конференции «Качество и ИПИ-технологии», М.: Фонд «Качество», 2002г., с.53-54.

3. Червяков Л.М., Волкова Г.Д., Новоселова О.В., Семячкова Е.Г., Носовицкий В.Б., Щукин М.В., Бычкова H.A. Инструментальные средства поддержки процессов анализа и проектирования корпоративных информационных систем для управления качеством образовательного учреждения. // Издательский центр МГТУ «СТАНКИН», 2002г., 168с.

4. Червяков Л.М., Волкова Г.Д., Щукин М.В., Бычкова H.A. Инструментальные средства поддержки процессов анализа и концептуального моделирования корпоративных информационных систем для управления качеством образовательного учреждения. // М.: «Европейский центр по качеству», «Качество. Инновации. Образование» № 4 2002г., с.28-32.

5. Бычкова H.A. Формальное описание синтеза визуального представления понятийной структуры при концептуальном моделировании прикладных автоматизированных систем. // Материалы VI-й научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН», М. 2003г., с.88-91.

6. Бычкова H.A. Автоматизированная поддержка визуального концептуального моделирования прикладных автоматизированных систем. //Информационные технологии в науке, образовании и промышленности: Материалы международной научно-технической конференции. / Архангельск: Соломбальская типография, 2005 - с.43-48.

7. Бычкова H.A. Визуальное представление проектно-конструкторских знаний. //Сборник четвёртой Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством», 10-11 марта 2005 года ГОУ ВПО «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского. / М.: ИТЦ ГОУ ВПО «МАТИ» - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского, 2005., с.36-37.

8. Бычкова H.A. Формальное описание синтеза визуального концептуального моделирования прикладных автоматизированных систем. /Г Материалы VTTt-й научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН», М. 2005г., с. 64-66.

9. Бычкова H.A., Мозгунов A.B. Система управления проектами при визуальном концептуальном моделировании прикладных автоматизированных систем. // Материалы VIII-й научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН», М. 2005г., с. 67-70.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бычкова Наталья Александровна

Разработка метода и инструментальных средств визуального моделирования и документирования системы знаний предметных задач при проектировании САПР машиностроительного назначения

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 24.03.2006. Формат 60x90/16 Уч. Изд.л. 1,5 Тираж 50 экз. Заказ № 52

Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИН» 103055, Москва, Вадковский пер, д.За

ЛР&6А- i

í

\ i

í

Щ- 725 6

í

I

I

s

(

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ВИЗУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ ПРЕДМЕТНЫХ ЗАДАЧ ПРИ СОЗДАНИИ ПРИКЛАДНЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

1.1. Анализ основных современных методологий создания прикладных автоматизированных систем

1.1.1. Классификация методологий визуального моделирования

1.1.2. Характеристика методологии структурного анализа и проектирования

1.1.3. Характеристика объектно-ориентированного подхода

1.1.4. Характеристика методологии анализа, оптимизации и моделирования бизнес-процессов

1.1.5. Характеристика специализированных методологий создания автоматизированных систем

1.1.6. Сравнительный анализ методологий

1.1.7. Отличительные особенности методологии автоматизации интеллектуального труда

1.2. Анализ инструментальных средств поддержки создания прикладных автоматизированных систем

1.2.1. Классификация инструментальных средств поддержки создания автоматизированных систем

1.2.1.1. Характеристика средств анализа

1.2.1.2. Характеристика средств анализа и проектирования

1.2.1.3. Характеристика средств проектирования баз данных

1.2.1.4. Характеристика средств разработки приложений

1.2.1.5. Характеристика средств реинжиниринга

1.2.1.6. Характеристика вспомогательных средств

1.2.2. Сравнительный анализ инструментальных средств создания автоматизированных систем

1.2.3. Отличительные особенности инструментальных средств МАИТ

1.3. Особенности автоматизации проектно-конструкторской деятельности

1.4. Выводы и цель работы

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ВИЗУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ, ОБРАБОТКИ И ДОКУМЕНТИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ КОНЦЕПТУАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРЕДМЕТНЫХ ЗАДАЧ

2.1 Общие положения

2.2. Формальное описание концептуального представления предметных задач

2.3. Формальное описание концептуальной модели объектного уровня для предметной задачи

2.4. Формальное описание визуального представления концептуальных моделей

2.4.1. Общие положения

2.4.2. Формальное описание визуального представления системы предметных зависимостей 1-го рода на объектном уровне

2.4.3. Формальное описание визуального представления концептуальной структуры на объектном уровне

2.4.4. Формальное описание визуального представления взаимосвязей предметных зависимостей 1-го рода и предметных категорий на объектном уровне

2.4.5. Формальное описание синтеза конструкций визуального концептуального представления на объектном уровне

2.5. Формальное описание взаимосвязей концептуальных конструкций и визуальных и документных представлений для предметных задач

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВИЗУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ДОКУМЕНТИРОВАНИЯ КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРЕДМЕТНЫХ ЗАДАЧ

3.1. Общая характеристика процесса моделирования и документирования концептуального представления предметных задач

3.2. Особенности визуального представления концептуальных моделей предметных задач

3.3. Формирование визуального представления концептуальных моделей предметных задач

3.3.1. Общие положения

3.3.2. Свойства визуального представления функциональной структуры

-43.3.3. Формирование функциональных структур

3.3.4. Свойства визуального представления понятийной структуры

3.3.5. Формирование понятийных структур

3.3.6. Свойства визуального представления содержательной структуры

3.3.7. Формирование содержательных структур

3.4. Требования к документированию результатов визуального концептуального моделирования

3.4.1. Общие положения

3.4.2. Характеристика размещения графических конструкций на листах и диаграммах проекта

3.5. Требования к управлению проектами при визуальном концептуальном моделировании предметных задач

3.5.1. Общие положения

3.5.2. Функции и временные показатели, реализуемые системой управления проектами

3.6. Описание детального алгоритма функционирования программного комплекса «CODA»

4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ПОДДЕРЖКИ ВИЗУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЗНАНИЙ ПРЕДМЕТНЫХ ЗАДАЧ

4.1. Общее описание программного комплекса « CODA »

4.2. Состав и структура основных модулей программного комплекса

4.2.1. Описание основных функций и структурных элементов программного комплекса

4.2.2. Описание интерфейса программного комплекса

4.2.3. Описание программного модуля формирования функциональных структур

4.2.4. Описание программного модуля формирования концептуальных структур

4.2.5. Описание программного модуля формирования содержательных структур

4.2.6. Описание программного модуля системы документирования

4.2.7. Описание программного модуля системы управления проектами

4.2.8. Описание автоматизированной справочной системы комплекса

-54.3. Тестовый пример 156 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 157 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 158 Приложение 1. Результаты анализа визуальных методов и средств создания прикладных автоматизированных систем 166 Приложение 2. Алгоритмы функционирования программного

Комплекса «CODA»

В современных условиях развитие производства и модернизация выпускаемых машин требуют постоянного создания новых и усовершенствования существующих автоматизированных систем, поддерживающих различные этапы жизненного цикла изделия. Своевременная поставка конкурентоспособных изделий на рынок обеспечивается минимизацией затрат времени и повышением качества при проектировании и производстве этих изделий. Автоматизация процесса проектирования должна учитывать все его связи с другими фазами жизненного цикла изделия. Необходимость выявления и фиксации этого многообразия связей существенно усложняет процесс разработки САПР.

В настоящее время для разработки прикладных автоматизированных систем используется широкий спектр инструментальных средств, поддерживающих определенные методологии создания автоматизированных систем различного назначения. Применение традиционных методов и средств разработки автоматизированных систем при разработке САПР машиностроительного назначения затруднено из-за специфических особенностей проектно-конструкторской деятельности. В то же время, применение в современных методологиях визуальных конструкций при создании автоматизированных систем является удобным и информативным. Можно выделить такие существенные особенности проектно-конструкторской деятельности, влияющие на процесс создания САПР, как: неполноту начальных условий, наличие разных модельных аспектов проектируемого объекта, итерационный и неформализованный процесс разработки объектов, сложную структуру объектов проектирования и т.д.

Одним из подходов в области автоматизации проектирования, решающих указанные проблемы, является разработанная на кафедрах «Информационные технологии и вычислительные системы» и «Когнитивные технологии проектирования» МГТУ «СТАНКИН» методология автоматизации интеллектуального труда (МАИТ), поддерживающая создание автоматизированных систем промышленным способом. В рамках МАИТ концептуальное моделирование предметных задач позволяет фиксировать систему знаний предметной области в виде формализованных моделей, обеспечивая тем самым смысловое единство всех последующих формально-языковых представлений этих задач. Результаты моделирования представляются в форме диаграмм и спецификаций.

Существующие инструментальные средства поддержки концептуального моделирования настроены на создание модели системы знаний предметной задачи по полуавтоматизированной или автоматизированной технологии и обладают рядом недостатков, препятствующих их эффективному использованию при моделировании системы знаний проектно-конструкторских задач. Использование средств, поддерживающих полуавтоматизированную технологию, приводит к возникновению случайных ошибок при переносе информации с диаграмм на традиционных носителях в структуры базы данных. Средства автоматизированной технологии поддерживают создание только функционального компонента модели, не позволяя при этом формировать единое представление данного компонента. Результатом работы этих средств является набор диаграмм и спецификаций для системы предметных зависимостей, не подлежащий последующей интеграции. Таким образом, разработка полного набора средств визуального концептуального моделирования и документирования по автоматизированной технологии при создании САПР для машиностроения становится актуальной задачей.

Выявленные проблемы, связанные с поддержкой системы предметных знаний при проектировании САПР, определили необходимость разработки метода и инструментальных средств визуального концептуального моделирования и документирования. Это позволило сформулировать цель работы и поставить научную задачу.

Целью работы является повышение эффективности процесса проектирования САПР машиностроительного назначения за счет разработки метода визуального моделирования и документирования системы знаний проектно-конструкторских задач, который позволит формировать набор визуальных конструкций по всем компонентам концептуальной модели и связанный с ними комплект графических и табличных документов.

Для достижения поставленной цели в работе решена научная задача, заключающаяся в выявлении связей между характеристиками семантических конструкций, графовых моделей и их документного представления при моделировании системы знаний проектно-конструкторских задач и включающая: исследование методов и средств визуального моделирования и разработки прикладных автоматизированных систем; выявление особенностей визуального описания модели системы знаний проектно-конструкторских задач; разработку формального описания визуального представления концептуальных моделей; разработку методики визуального моделирования и документирования концептуального представления предметных задач; разработку инструментальных средств поддержки визуального моделирования и документирования концептуальных представлений при проектировании САПР машиностроительного назначения.

Научная новизна работы состоит в том, что:

-установлены связи между характеристиками визуальной концептуальной модели проектао-конструкторских задач и свойствами её документного представления, позволяющие осуществить переход от безразмерных логических конструкций модели к размерно-ограниченным графическим и текстовым документам;

-разработано формальное описание визуального концептуального представления предметных задач, включающее описание ограничений на взаимосвязи элементов концептуальных структур, как системы предметных зависимостей 2-го рода;

-разработано формальное описание процедуры синтеза графовых конструкций для системы предметных зависимостей 1-го рода, позволяющее автоматизировать размещение типовых конструкций на отдельных диаграммах графического документа и сквозное кодирование элементов всех диаграмм.

При разработке теоретических положений диссертационной работы использован аппарат теории множеств, математической логики, реляционной алгебры и теории графов.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики визуального моделирования и документирования концептуального представления проектно-конструкторских задач, охватывающей процедуры формирования визуальных конструкций функциональной, понятийной и содержательной компонент семантической модели, процедуры деления размерно-неограниченных графовых конструкций на сегменты, размещения их на листах (документах) фиксированного размера и процедуры документирования концептуальных представлений проектно-конструкторских задач; разработке инструментальных средств поддержки визуализации и документирования компонентов концептуальной модели, функционирующих по автоматизированной технологии создания системы знаний предметных задач, и позволяющих получить набор текстовой и графической документации результатов концептуального моделирования при создании САПР машиностроительного назначения;

В первой главе проведен анализ существующих методов и средств визуального моделирования и обработки предметных задач при создании прикладных автоматизированных систем. В данной главе рассмотрены основные методологии и подходы при создании прикладных автоматизированных систем, проведено исследование и анализ существующих инструментальных средств поддержки жизненного цикла автоматизированных систем с учетом возможности их использования при автоматизации проектирования технических систем.

Методологии рассмотрены и проанализированы с учетом таких характеристик, как: набор модельных представлений; этапы жизненного цикла создаваемой прикладной автоматизированной системы; возможности развития методологии; достоинства и недостатки при создании, эксплуатации и развитии прикладной автоматизированной системы.

При этом анализ проявил ряд существенных недостатков, свойственных большинству традиционных методологий: отражение в модельных представлениях для отдельных точек зрения на автоматизируемую задачу; сопряжение модельных представлений для различных аспектов задачи возлагается на разработчика автоматизированной системы и зависит от его опыта и квалификации; создаваемое описание разрабатываемой системы жестко ориентировано на возможности ее реализации в выбранной программно-технической среде.

В основе большинства современных инструментальных средств создания прикладных автоматизированных систем использованы существующие методологии. Анализ инструментальных средств для разных стадий создания прикладных автоматизированных систем и использующих визуальное представление информации, был выполнен с учетом таких критериев, как: среда функционирования, надежность, удобство использования, эффективность, переносимость, настраиваемость и стоимость.

Анализ инструментальных средств, использующих визуальное представление автоматизируемых задач показал, что пакеты, имеющие возможность настройки и охватывающие весь жизненный цикл системы, имеют высокую стоимость, их внедрение и эксплуатация требуют больших материальных и трудовых затрат. Некоторые пакеты ориентированы на методологию, поддерживающую определенный этап процесса разработки системы или аспект модели. Наличие в программных средствах возможности настроек на различные модели усложняет их и увеличивает стоимость, затрудняет их освоение.

Использование САБЕ-средств при создании САПР для машиностроения является недостаточно эффективным из-за специфических особенностей проектно-конструкторской деятельности.

К особенностям проектно-конструкторской деятельности можно отнести: минимальный объем информации на начальных этапах проектирования машиностроительных объектов; наличие множества аспектов описания проектируемого объекта; итерационный и неформализованный процесс разработки объектов; наличие недокументированных знаний, используемых для получения проектных решений; распараллеливание проектных работ, обуславливающее необходимость неформального согласования их результатов.

Поэтому перечисленные методологии создания прикладных автоматизированных систем находят наибольшее применение в областях, требующих решения задач небольшой сложности или областях с хорошо объективированной информацией, где преобладают информационно-поисковые процедуры с несложной статистической обработкой хранимых данных.

В тоже время, аналитический обзор позволил выделить особенности и преимущества применения методологии автоматизации интеллектуального труда (МАИТ), которая поддерживает создание прикладных автоматизированных систем и САПР промышленным способом: полный набор компонентов модели и их увязка в модельном представлении на любой стадии разработки автоматизированной системы; существование закономерностей семантических и синтаксических модельных представлений на трех уровнях абстрагирования.

Ключевую роль при создании системы автоматизированного проектирования играет концептуальное моделирование, как основа для единой интерпретации последующих формально-языковых представлений, формируемых при создании САПР.

Разработанные ранее инструментальные средства поддержи концептуального моделирования в рамках МАИТ обладают рядом недостатков, снижающих эффективность построения семантической модели предметной задачи: перенос информации с диаграмм на традиционных носителях в таблицы базы данных связан с появлением случайных ошибок; автоматизированная технология концептуального моделирования реализована только для системы предметных зависимостей; отсутствие интеграции набора диаграмм для получения единого визуального представления этой составляющей модели; проблемы размещения визуальных . конструкций при документировании результатов концептуального моделирования.

Исходя из полученных результатов анализа, был сделан вывод о необходимости разработки метода и инструментальных средств поддержки визуального концептуального представления по автоматизированной технологии. Это позволило сформулировать цель работы и поставить научную задачу для ее достижения.

Во второй главе изложены положения формального описания метода визуального моделирования, обработки и документирования основных концептуальных конструкций для концептуального проектирования предметных задач.

Визуальное представление и моделирование системы знаний проектпоконструкторских задач позволяет наглядно фиксировать образные семантические конструкции, отражающие процесс решения этих задач и содержательные аспекты проектных действий. Процесс формирования этих конструкций в вычислительной среде связан с необходимостью использования их аналитического описания, графического отображения и документного представления.

В данной главе приведено формальное описание взаимосвязанных аналитических графических и документных конструкций. Исходным для такого описания является формальное описание концептуального представления проектно-конструкторских задач.

Выполненное формальное описание визуальных компонентов концептуальной модели позволило перейти к разработке методики визуального моделирования и документирования системы знаний проектно-конструкторских задач.

В третьей главе изложена методика построения и документирования визуальных конструкций концептуальных моделей проектно-конструкторских задач. Разработанная методика используется при автоматизированной технологии формирования модели системы знаний выделенной предметной области. Методика основывается на формировании концептуальной модели предметной задачи в виде диаграмм визуального представления системы знаний с последующей автоматической фиксацией результатов моделирования в виде форм, соответствующих спецификациям методологии АИТ. Разработаны алгоритмы выполнения процедур:

- формирования визуальных конструкций функциональной, понятийной и содержательной компонент семантической модели;

- деления размерно-неограниченных графовых конструкций на сегменты;

- размещения макроэлементов изображения на диаграммах (документах) фиксированного размера;

- документирования концептуальных представлений предметных задач. Приведены правила заполнения спецификаций для описания получаемых данных, а также сформулированы требования к виду и содержанию необходимого набора документов для хранения и передачи описаний визуальной концептуальной модели на бумажных носителях.

Для создания методики была решена проблема перехода из абстрактного пространства визуального представления концептуальной модели в размерно-ограниченное пространство системы документирования. Для каждой составляющей визуальной модели сформулированы правила построения и кодирования. При этом необходимо было учитывать соглашения о размерах, взаимном расположении и связях элементов моделей.

Разработка данной методики позволила перейти к созданию инструментальных средств поддержки визуального моделирования системы знаний предметных задач.

В четвертой главе описана реализация программных средств поддержки визуального моделирования системы знаний предметных задач.

Разработанные автоматизированные процедуры являются программными модулями, расширяющими возможности программного комплекса поддержки визуального концептуального моделирования «CODA».

В качестве среды реализации была выбрана программная среда Borland С++ Builder. Данное средство разработки ориентировано на создание приложений, имеющих графический интерфейс пользователя, многооконный интерфейс и поддерживающих работу с данными. Средства выбранной среды разработки позволяют поддерживать широкий спектр СУБД для хранения данных проекта. Была выбрана целевая СУБД, поддерживающая локальное сохранение таблиц в отдельных файлах -СУБД Paradox, которая обеспечивает компактность хранения информации.

Реализация автоматизированного комплекса «CODA» включала организацию вычислительной среды: разработку структуры и состава информационной базы; создание необходимых таблиц, содержащих описание модели; набор программных модулей, обеспечивающих выполнение процедур концептуального моделирования; инструкции по эксплуатации автоматизированного комплекса для пользователя и администратора системы.

-157-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования и практическая работа позволили получить следующие выводы и результаты:

1. Решена актуальная научная задача, состоящая в разработке метода визуального моделирования и документирования системы знаний проектно-конструкторских задач, что обеспечивает повышение эффективности моделирования системы знаний проектно-конструкторских задач и, соответственно, процесса проектирования САПР машиностроительного назначения.

2. Формальное описание визуального концептуального представления предметных задач, включающее описание системы ограничений на взаимосвязи элементов производных концептуальных структур, позволяет осуществить переход из абстрактного пространства визуального представления концептуальной модели в размерно-ограниченное пространство системы документирования.

3. Формальное описание процедуры синтеза графовых конструкций для системы ограничений на основные концептуальные структуры позволяет автоматизировать размещение типовых конструкций на отдельных функциональных диаграммах графического документа и сквозное кодирование элементов всех диаграмм.

4. Разработанная на основе полученного формального описания методика визуального моделирования и документирования концептуальных представлений предметных задач содержит алгоритмы формирования основных концептуальных конструкций семантической модели, деления размерно-неограниченных графовых конструкций на сегменты, размещения макроэлементов изображения на диаграммах фиксированного размера, документирования концептуальных представлений предметных задач.

5. Разработанный программный комплекс визуального концептуального моделирования предметных задач по автоматизированной технологии расширяет возможности инструментальных средств поддержки методологии автоматизации интеллектуального труда при проектировании САПР машиностроительного назначения и использован для проведения курсовых и лабораторных работ по дисциплине «Концептуальное моделирование предметных задач».

1. Калянов Г.Н. CASE структурный системный анализ (автоматизация и применение). М.: Лори, 1996ф 2. Вендров A.M. CASE-технологии. Современные методы и средствапроектирования информационных систем, М., Финансы и статистика ,1998

2. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. Пер. с англ. М.: Издательство Бином, СП6.:Невский диалог, 1999. 560 с.

3. Калянов Г.Н. Как внедрить CASE в вашей организации? PC Week (RE), №17, 1999.

4. Калянов Г.Н. Консалтинг при автоматизации предприятий: подходы, методы, средства. -М.:Синтег, 1997. 230 с.ф 6. Mayer R.J., Menzel С.Р., deWitte P.S., Perakath В., Fillion F., Futrell M.T.,1.ngineni M. IDEF5 Method Report, 1995

5. Richard J. Mayer, PhD Michael K. Painter Madhavi Lingineni. IDEF9 Method Report. Knowledge Based System, Inc, 1995

6. Калянов Г.Н., Козлинский A.B., Лебедев B.H. Сравнительный анализ структурных методологий. Системы Управления Базами Данных №5-6/97 стр. 75-78

7. Маклаков С. Золотой ключик BPwin, Мир ПК, №5,1999, с. 42-47.

8. Benbrook H., Finta M., Scott A., Wingate G., Designer/2000: System Modeling and Tools, vol. 1., 19961.. Горин C.B., Тандоев А.Ю. CASE-средство S-Designer для разработки структуры базы данных. СУБД. 1996. №1.

9. Петров Ю.К. JAM инструментальное средство разработки приложений в ф информационных системах архитектуры «клиент/сервер», построенных набазе РСУБД. СУБД. 1995. №3.

10. Марка Д, МакГоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования SADT. // М.: Метатехнология, 1993,240с.

11. Черемных C.B., Семенов И.О., Ручкин B.C. Структурный анализ систем. IDEF-технологии. // М. Финансы и статистика, 2001,208 с.

12. Головина Е.Ю. Модели и методы проектирования информационных систем. // ф Учебное пособие. М.: МГТУ «Станкин», 2002, 92с.-15916. CALS технологии. Методология функционального моделирования. / Госстандарт России. М., 2000.

13. Моделирование бизнес-процессов. / Электронный учебник. ГОУ «ГМЦ CALS-технологий». М., 2002.

14. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. // 2-е изд. М.: Бином, 1999, 558с.

15. Элиенс А. Принципы объектно-ориентированной разработки программ. // М.: Вильяме, 2002, 496с.

16. Фридман A.JI. Основы объектно-ориентированной разработки программных систем. // М.: Финансы и статистика, 2000,192с.

17. Internet & Software Company. / http://www.interface.ru

18. Калянов Г.Н. Российский рынок CASE-средств. / PCWeek/Russian Edition, 1998, июнь.

19. Маклаков C.B. BP win и ERwin. CASE-средства разработки информационных систем. // 2-е изд. М.: Диалог-МИФИ, 2002, 304с.

20. Маклаков C.B. Моделирование бизнес-процессов с AllFusion Process Modeler. // M.: Диалог-МИФИ, 2003,236c.

21. Центр информационных технологий. / http://www.citforum.ru/

22. Т.Кватрани. Rational Rose 2000 и UML. Визуальное моделирование. // М.: ДМК, 2001,176с.

23. Трофимов С.А. CASE-технологии: практическая работа в Rational Rose. // M.: Бином, 2002, 288с.

24. Колетски П., Дорси П. Oracle Designer.Hacтoльнaя книга пользователя. // М.: Лори, 1999, 592с.

25. Бэйкер P. Oracle 8i. Создание Web-приложений. // M.: Лори, 2001, 723с.

26. Oracle Corporation. / http://www.oracle.com/ru

27. Вендров A.M. Ниша и внедрение CASE-средств. / «ComputerWorld: Директору ИС», 2000, ноябрь.

28. Вендров A.M. CASE-технологии. Методы и средства проектирования информационных систем. // М.: Финансы и статистика, 1998,176с.-16033. Калянов Г.Н. CASE: структурный системный анализ (автоматизация и применение). // М.: Лори, 1996,242с.

29. Горчинская О.Ю. Designer/2000 новое поколение CASE-продуктов фирмы Oracle. / «СУБД», 1995, №3, с.9-25.

30. Мартинес Ф. Синтез изображений. Принципы, аппаратное и программное обеспечение. Пер. с франц. М.: Радио и связь, 1990. 192 с.

31. Дейт Дж. Введение в системы баз данных. Киев: Диалектика, 1998. 784с.

32. Корнеев В.В., Гареев А.Ф., Васютин C.B., Райх В.В. Базы данных: интеллектуальная обработка информации. М.: Нолидж, 2000. 352 с.

33. М.Р. Когаловский. Абстракции и модели в системах баз данных. Системы Управления Базами Данных #04-05/98.

34. Корпоративный менеджмент. / http://www.cfin.ru

35. Норман Д. Семантические сети. // Психология памяти. М.: Че Ро. 2000, с.350-356.

36. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г.,Прохоров А.Ф. и др. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении / Под. общ. ред. Соломенцева Ю.М., Митрофанова В.Г. М.: Машиностроение, 1986. 256 с.

37. ЭВМ в проектировании и производстве / Под ред. Г.В. Орловского. JL: Машиностроение. 1995.

38. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. // Учебник для вузов. — М.: МГТУ им. Баумана, 2000, 316с.

39. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). Спб: Питер, 2004, 560с.

40. Краснощеков П.С., Савин Г.И., Федоров В.В., Флеров Ю.А. Автоматизация проектирования сложных объектов машиностроения. / Автоматизация проектирования, 1996, №1, с.3-12.

41. Половинкин А.И., Попов В.В. Техническое творчество: теория, методология, практика. М.: НПО «Информ-система», NAUKA, 1995, 410с.

42. Соловьев А.Н., Стемпловский А.Л. Методология проектирования сложных вычислительных систем. / Автоматизация проектирования, 1996, №1, с. 13

43. Аверченков В.И. Казаков Ю.М. Автоматизация проектирования технологических процессов /Брянск БГТУ, 2004, 228с.

44. Капустин Н.М. Автоматизация производственных процессов в машиностроении / М: Высшая школа 2004,415 .

45. Яблонский C.B. Введение в дискретную математику/ М: Высшая школа 2003,384с

46. Соломенцев Ю.М., Волкова Г.Д. Представление знаний при автоматизации проектно-конструкторской деятельности / Межотрасл. научн.-техн. сб. «Техника. Экономика» Сер. «Автоматизация проектирования» М.: ВИМИ,1994, вып.4,с.3-6.

47. Волкова Г.Д., Сирота И.М. Автоматизация проектирования прикладных систем. // Автоматизация и управление в машиностроении, №7, 1999.

48. Ловас Л., Пламмер М. Прикладные задачи теории графов. Теория паросочетаний в математике, физике, химии. Пер. с англ. М.: Мир, 1998. 653 с.

49. Зубов B.C. Справочник программиста. Базовые методы решения графовых ф задач и сортировки. М.: Филинъ, 1999.

50. Соломенцев Ю.М. Волкова Г.Д. Тенденции развития и направления исследований в области информатики. // Производственно-технический журнал «Машиностроитель», №6,2000, с.22-24.

51. Волкова Г.Д. Методология автоматизации проектно-конструкторской деятельности в машиностроении. // Учебное пособие. М.: МГТУ «Станкин», 2000, 81с.

52. Волкова Г.Д. Семячкова Е.Г. Анализ проблем создания, эксплуатации и развития систем автоматизации проектирования в машиностроении. // «Информатика-машиностроение». М.: НТП «Вираж-центр», 1999, №2, с. 1626.

53. Щукин М.В. Разработка метода и средств поддержки аналитической обработки, визуализации и документирования концептуальных

54. Волкова Г.Д. Концептуальное моделирование предметных задач в машиностроении. // Учебное пособие. М.: МГТУ «Станкин», 2000, 98с.

55. Соломенцев Ю.М., Павлов В.В. Моделирование технологической среды машиностроения. // М.: МГТУ «Станкин», 1994,104с.

56. Волкова Г.Д. Новоселова О.В., Семячкова Е.Г. Проектирование автоматизированных систем в машиностроении. // Учебное пособие. М.: МГТУ «Станкин», 2002, 162с.

57. Сапр и графика. / http://www.sapr.ru

58. Все про SQL и клиент/серверные технологии. / http://www.sq1.ru/

59. Волкова Г.Д. Развитие теоретических основ концептуального моделирования как основы представления проектно-конструкторских знаний // Вестник компьютерных и информационных технологий.-2005 .-№5(11), с. 21-26.

60. Волкова Г.Д., Новоселова О.В., Семячкова Е.Г. Проектирование прикладных автоматизированных систем в машиностроении: Учебное пособие.- М.: МГТУ «Станкин»,- 2002 г.- 162 с.

61. Шамис. В.A. Borland С++ Builder 6.0 Для профессионалов. СПб.: Питер, 2005, 798с.

62. Архангельский А.Я. Программирование в С++ Builder 6. М.: Бином-Пресс, 2005. 1168с.

63. Диго С.М. Базы Данных. Проектирование и использование. М.: ФиС, 2005, 592с.

64. Марков А.С. Лисовский К.Ю. Базы Данных. Введение в теорию и методологию. М.: ФиС, 2004, 512с.

65. Калверт И., Рейсдорф К. Borland С++ Builder 6.0 Настольная книга программиста. -М.: ДиаСофт, 2005,1003с.