автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка методов и средств поддержки процессаинфологического моделирования при создании САПРмашиностроительного назначения

ОЯ

6 да*

На правах рукописи

Семячкова Елена Геннадьевна

Разработка методов и средств поддержки процесса инфологического моделирования при создании САПР машиностроительного назначения

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Московском Государственном технологическол университете «Станкин».

Научный руководитель: Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

член-корреспондент РАН Соломенцев Ю. М.

кандидат технических наук,

доцент

Волкова Г. Д.

доктор технических наук,

профессор

Соколов В. П.,

кандидат технических наук Сорокин А. В.

Московское Специальное конструкторское бюро автоматических линий и агрегатных станков.

Защита состоится декабря 1996 года в /0 часов на заседали

Диссертационного Совета Д063.42.02 при Московском Государственно* технологическом университете «Станкин» по адресу: 101472, ГСП, Москва, К-55 Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета за одш месяц до защиты.

Автореферат разослан «<У » МО^Зр/Я 1996 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д 063.42.02, к. т. н., доцент

Актуальность. В современных экономических условиях одной из важнейших задач, стоящих перед машиностроительными предприятиями, является постоянное совершенствование выпускаемой продукции с целью обеспечения ее конкурентоспособности. Это вызывает необходимость проведения большого объема проектных работ. При этом процесс проектирования должен обеспечивать получение оптимальных решений в минимальные сроки при возрастающей сложности проектируемых объектов.

Одним из факторов повышения эффективности процесса проектирования является его автоматизация. Использование программно-технических средств на этапе проектирования машиностроительных конструкций позволяет значительно уменьшить трудоемкость выполнения расчетных и конструкторских процедур и повысить качество выполняемых проектов.

На сегодняшний день разработано и применяется большое количество программных средств автоматизации проектирования. Их сложность варьируется от автоматизированных процедур, реализующих отдельные проектные задачи -различные виды расчетов, подготовка чертежей, табличной и текстовой документации, поиск информации, решение оптимизационных задач, выбор аналогичных проектных разработок - до автоматизированных систем, предназначенных для реализации целого комплекса проектно - конструкторских задач. При этом практика автоматизации этапа проектирования показала, что качественные улучшения возможны лишь при комплексном подходе к разработке средств автоматизации. Но существующие подходы к созданию программных продуктов такого вида не обеспечивают их максимально эффективного функционирования, что выражается в неизбежной реорганизации программ при устранении ошибок и внесении уточнений, трудности интеграции предметных задач в единый комплекс, в большом количестве и дублировании вводимых данных, в необходимости наличия больших объемов оперативной памяти, обусловленного существующей организацией проектной информации в вычислительной среде.

Существование данных проблем при эксплуатации САПР машиностроительного назначения объясняется рядом причин. Во-первых, процесс автоматизации проектно-конструкторской деятельности является достаточно сложной задачей в силу ее специфических особенностей. Это проявляется в многообразии критериев проектирования технических объектов, многие из которых слабо или вообще не формализованы, в многообразии видов и форм представления используемых знаний, в существовании различных форм описания проектируемого объекта, отражающих различные аспекты его целостного представления. Во-вторых, существующие методы автоматизации проектно-конструкторской деятельности не обеспечивают адекватного представления :ложло организованных знаний процессов проектирования в вычислительной :реде. На сегодняшний день передача знаний конструктора в среду программно-технических комплексов осуществляется напрямую. При этом автоматизация ;ильно зависит от того, какую часть своих знаний и в каком виде специалист в тредметной области заложит в программу или передаст разработчику САПР и как

тот сумеет их воспринять. В результате создаваемые автоматизированные продукты носят субъективный характер, определяемый системами знаний небольшой группы предметных специалистов. Следствием такого подхода является то, что традиционный процесс создания САПР не предусматривает формирование «проектного» представления автоматизируемых проектно-конструкторских задач, инвариантного к среде и средствам реализации.

Таким образом, при существующем подходе к автоматизации кроме указанных проблем функционирования САПР отсутствует возможность многократного применения уже созданных автоматизированных процедур, реализующих типовые проектные задачи, при разработке новых систем автоматизированного проектирования. Это позволило бы значительно сократить сроки разработки и повысить качество автоматизированных систем. В связи с этим наиболее актуальной задачей в области автоматизации проектирования является применение принципиально новых методов создания САПР, позволяющих решать указанные проблемы и повысить эффективность процесса их создания, а также разработка инструментальных средств для их реализации.

Целью работы является повышение эффективности процесса проектирования машиностроительных САПР засчет выявления особенностей и специфики организации информации в проектно-конструкторской деятельности и установления связей при ее отображении в вычислительную среду в виде формализованных представлений в рамках методологии автоматизации интеллектуального труда.

Для достижения поставленной цели в работе решена научная задача, состоящая в следующем:

исследование методов и средств поддержки процесса создания машиностроительных САПР;

выявление особенностей проектно-конструкторской деятельности в машиностроении;

разработка формального описания представления проектно-конструкгорских задач как совокупности инфологических моделей и выявление закономерностей их формирования, анализа и синтеза;

разработка методики инфологического моделирования проектно-конструкторских задач на базе их формального представления;

разработка средств поддержки инфологического моделирования проектно-конструкторских задач при создании САПР машиностроительного назначения.

Научная новизна заключается в следующем:

анализ специфики и особенностей организации информации в проектной деятельности позволил установить связи между свойствами вербальной информации и характеристиками формализованного представления проектно-конструкторских задач, не зависимого от программно-технической среды и средств реализации;

предложен и обоснован состав инфологического представления для проектно-конструкгорских задач;

предложена и обоснована структура и взаимосвязь инфологических моделей разных уровней абстрагирования для проектно-конструкторских задач;

обоснована система ограничений, накладываемых на инфологаческое представление проектно-конструкторских задач;

разработана методика инфологического моделирования проекгно-конструктсрских задач, обеспечивающая построение инвариантного представления этих задач для последующей их реализации в вычислительной среде.

обоснована процедура синтеза инфологических представлений проектно-конструкторских задач.

Практическая ценность.

Разработана и внедрена методика инфологического моделирования проектно-конструкторских задач, а также на основе проведенных теоретических исследований разработан и реализован прототипный вариант автоматизированной системы поддержки инфологического моделирования проектно-конструкторских задач.

Апробация работы.

Результаты работы использовались при проведении практических занятий по дисциплине "Технология создания автоматизированных систем", в ходе выполнения курсовых и дипломных работ по специальности 22.03 «САПР в машиностроении», представленных в виде комплекса автоматизированных расчетных процедур цилиндрических зубчатых передач, системы поддержки концептуального моделирования предметных задач, системы поддержки ведения учебных планов и программ, а также докладывались на следующих конференциях:

Второй Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук", Москва, 1994 г.;

Всероссийской конференции "Ресурсосберегающие технологии машиностроения", Москва, 1995 г.;

Третьем Международном конгрессе "Конструкторско-технологическая информатика" - КТИ-96, Москва, 1996 г.;

Второй Международной конференции «Информационные технологии в проектировании» - ИТП-96, Москва, 1996 г.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 5 глав,

систем, а также выявление особенностей проектно-конструкторской деятельности и их влияния на организацию информации и знаний,

В настоящее время выполнено достаточно большое количество теоретических и практических исследований в области разработки систем автоматизированного проектирования. Большой вклад в развитие методов и средств автоматизации проектирования внесли Норенков И.П., Соломенцев Ю.М., Капустин Н.М., Митрофанов В.Г., Павлов В.В, Прохоров А.Ф. и другие отечественные и зарубежные ученые.

Анализ существующих САПР машиностроительного назначения проводился на примере отечественных разработок по автоматизации проектирования цилиндрических зубчатых передач, что обусловлено широким применением данного устройства в машиностроении и, как следствие, наиболее часто выступающим в качестве объекта проектирования. При этом анализ таких САПР проводился по следующим критериям: содержание автоматизируемой методики проектирования, разработчик системы, оценка программно-информационных компонентов данных систем.

Анализ содержательных аспектов методик проектирования цилиндрических зубчатых передач (результаты представлены в табл.1) позволил выявить их большое разнообразие. Такая многочисленность методик объясняется существованием большого количества разнообразных условий функционирования и эксплуатации данных устройств, а также технологических возможностей их изготовления. При этом содержание методик варьируется от типовых расчетов, выполняемых по государственным стандартам, до уникальных методов расчета. Но вместе с тем практически все методики имеют унифицированную часть как комбинацию типовых расчетов.

Анализ состава разработчиков таких систем показал следующее: разработчиками систем, как правило, являются сами машиностроительные предприятия, проектно-конструкторские организации, научно-исследовательские институты и технические высшие учебные заведения, при этом наблюдается такая закономерность - отделы автоматизации предприятий и конструкторских бюро используют лишь те методики расчетов, которые учитывают специфику изготавливаемых машин, в то время как научно-исследовательские организации и ВУЗы автоматизируют наиболее универсальные методы расчетов.

Анализ информационных и программно-технических компонентов существующих САПР позволил установить, что часто одна и та же методика расчетов реализована в различных программно-технических средах, что вызывает дублирование автоматизированных расчетных процедур, при этом представление одной и той же проектной информации в разных системах осуществляется по-разному. Кроме того, основным методом разработки автоматизированных процедур расчета является непосредственное программирование вычислений.

Таким образом, существующие САПР машиностроительного назначения носят достаточно уникальный характер, что является отличительной особенностью кустарного способа производства. Это ведет к проблеме комплексного использования существующих программных средств автоматизации

Разработчик Особенности цнлинрической зубчатой передачи (ЦЗП) Условия функционирования Особенности методики проектирования

Проектирование конструкций Проектирование технологических ограничений

Кафедра "Детали машин", МГТУ им. Н.Э. Баумана ЦЗП с внешним и внутренним эвольвентным зацеплением с прямым, косым и шевронным зубом. Редукторы общемашиностроительного назначения. Стандартные расчеты с сокращениями согласно учебной программе. Расчет параметров режущего инструмента.

P.A. Мацей, В.А. Белоус, А.Г. Добринский *) ЦЗП с пустыми или заполненными пластиком полостями, вызывающими большие концентрации напряжений Приводные устройства. Расчет методом конечных интегральных уравнений с использованием суперэлементного подхода. Учитывается наличие тгхнологических уступов ог шлифования.

Э.Н. Чилевич, Е.М. Волошина, М.А. Соловьева *) ЦЗП с повышенной несущей способностью в условиях, когда производство не может обеспечить изготовление и монтаж силовых передач достаточно высокой степени точности. Агрегаты и машины, работающие в условиях, приводящих к концентрации нагрузок и опасности заедания активных поверхностей. Стандартные расчеты с учетом особенностей функционирования, расчет стойкости к заеданию. Расчет оптимальных параметров исходного производящего реечного контура.

В.С.Гапонов, П.Н. Калинин *) Переборные и составные ЦЗП. Приводные усройства. Стандартные расчеты, расчет уровня виброактивности. -

СКБ эскалаторостроения ПО "Эскалатор" ЦЗП с эвольвентным зацеплением. Редуктора эскалаторов, конвейеров и др. Стандартные расчеты с учетом особенностей функционирования. -

A.C. Ямников, Г.М. Шеднин, М.Н. Бобков *) ЦЗП с круговыми зубьями. Приводные устройства. Специальная методика расчета. Расчет параметров ре;кущего инструмента.

НИИчаспром ЦЗП с мелким модулем. Часовые механизмы. Специальная методика расчета. Расчет параметров регсущего инструмента, обе спечивающего высокую точность передачи.

*) - информация приведена по материалам научно-технических конференций.

при создании новых САПР для объектов с заданными условиями функционирования, эксплуатации и изготовления. Анализ показывает, что совместное использование программно-информационных подсистем существующих САПР чрезвычайно затруднено в силу их рассогласования по программно-техническим средствам реализации, по автоматизируемым методикам расчетов, по представлению проектной информации. В связи с этим на сегодняшний день разработку САПР эффективнее осуществить полностью заново без использования уже созданных программных подсистем.

С целью использования опыта применения методов и средств создания прикладных автоматизированных широкого назначения был проанализирован ряд инструментальных систем. Анализ показал, что разработка прикладных систем ведется преимущественно с использованием CASE-технологий. На сегодня разработано большое количество CASE-средств, среди которых получили широкое распространение зарубежные системы - Designer/2000 (фирма Oracle), Erwin (фирма Logicworks), Design/EDEEF (фирма Meta Software) и другие. Главным образом существующие CASE-средства предназначены для создания информационных систем поддержки управленческой деятельности организаций. Данная технология обеспечивает выполнение следующих этапов: анализ деятельности организаций, концептуальное моделирование предметной области, проектирование прикладных систем и реализация. При этом под проектированием подразумевается планирование реализации системы в конкретной программно-технической среде. Как правило, для каждого этапа существует определенное модельное представление автоматизируемой задачи. При этом данные модели достаточно просты в своей организации, что ведет к формированию сложного представления для сложных предметных задач.

Применение CASE-систем к созданию САПР машиностроительного назначения затруднено в силу того факта, что эти средства оптимальны для предметных задач небольшой сложности, в которых преобладают информационно-поисковые процедуры над документально организованной информацией с элементами их статистической обработки, чего нельзя сказать о процессе проектирования. Это один из наиболее сложных интеллектуальных производственных процессов, включающих сложную обработку как вербальных, так и графических данных на основе разнопредметных знаний. Используемые в CASE-системах модельные представления в приложении к проектно-конструкторским задачам порождают громоздкие описания и приводят к многочисленным ошибкам и рассогласованиям.

Анализ особенностей проектно-конструкторской деятельности и ее влияния на организацию информации и знаний позволил констатировать следующее:

на этапе проектирования аккумулируется и взаимоувязывается информация обо всем жизненном цикле технического объекта, включающая описание процесса его перспективного функционирования, ограничений на среду и процесс изготовления, условий утилизации и т.д.;

процесс проектирования базируется на комплексе научных, технических и практических знаний по самым различным фундаментальным и прикладным дисциплинам, при этом знания фиксируются в виде научно-технической литературы, нормативных и методических материалов, конструкторской документации и других источников;

проектное решение может быть многовариантным в силу колоссальной вычислительной обработки;

разнообразие форм представления проектной информации, где каждая форма - это фрагмент модели проектируемого объекта, при этом увязка всех фрагментов выполняется конструктором и в явном виде нигде не фиксируется.

Исходя из полученных результатов анализа существующих систем автоматизированного проектирования, был сделан вывод о необходимости применения такого подхода к автоматизации, который поддерживал бы промышленный способ создания систем и позволял интегрировать различные системы знаний в единое целое. Такой подход поддерживает методология автоматизации интеллектуального труда, разрабатываемая на кафедре «Автоматизированные системы проектирования и управления» Московского Государственного технологического университета «Станкин» под руководством член-корреспондента РАН Соломенцева Ю.М.

Во второй главе излагаются основные положения методологии автоматизации интеллектуального труда, характеристика инфологического моделирования как этапа данной методологии, приводится формальное описание универсального инфологического представления, а также описывается его состав, структура и закономерности формирования.

Суть методологии состоит в последовательном формировании моделей предметной задачи при ее автоматизации - концептуальной, инфологической и даталогической. При этом концептуальная модель является основой для получения двух других моделей и обеспечивает смысловое единство получаемых представлений. Инфологическая модель есть «проектное» представление автоматизированной процедуры, инвариантное к программно-технической среде реализации, а даталогическая модель это «технологическое» представление этой же процедуры, ориентированное на конкретные программно-технические среду и средства реализации.

Основанием инфологического моделирования является теория реляционных баз данных.

Универсальное инфологическое представление является теоретической базой инфологического моделирования и отражает общее строение и закономерности формирования вербальных знаковых конструкций.

Универсальное представление включает модели трех уровней абстрагирования и формально описывается следующим образом: 1Ш = {Ш,И2,1ЬЪ). Структура формального описания универсального инфологического представления приведена на рис.1.

Абстрактный уровень

Рис.1. Структура формального описания универсального инфологического

представления.

41В состав модели любого уровня входит множество элементов (структурных единиц), множество статических отношений, множество динамических отношений и множество функциональных отношений, что формально описывается следующим образом: ILi = (Li,DEi,Oi,Xi), где Li - множество структурных единиц i-ro уровня, DFA - множество статических отношений на структурных единицах, Qi - множество динамических отношений на структурных единицах (система информационных доступов), Xi - множество функциональных отношений на структурных единицах (система манипуляций), при этом статические отношения включают:

DEi = {Di,Ei,m~X)ei), где Di с Li х Li • множество бинарных отношений, Ei <z Li х Li х Li - множество тернарных отношений, Ei - множество схем структурных единиц, Dei с Ei х Ei-множество бинарных отношений на схемах структурных единиц; Qi = {Si,QSi),

где Si - множество информационных доступов, QSi с Si х Si -множество бинарных отношений информационных доступов; Xi = (Xi,QXi),

где Xi - множество манипуляций, QXi с Xi х Xi - множество бинарных отношений манипуляций.

Множество элементов модели на каждом уровне абстрагирования включает три типа структурных единиц: информационный модуль, информационная сущность, информационный атрибут.

В зависимости от уровня абстрагирования элементы структур инфологических моделей будут представлены:

на абстрактном уровне - классами структурных единиц, схемами классов структурных единиц, классами информационных доступов и классами манипуляций;

на объектном уровне - именами структурных единиц, схемами именованных структурных единиц, типами информационных доступов и типами манипуляций;

на конкретном уровне - состояниями структурных единиц, схемами состояний структурных единиц, экземплярами типов информационных доступов, экземплярами типов манипуляций.

Поскольку инфологическая модель включает три составляющие, то закономерности формирования инфологических моделей включают закономерности формирования инфологических структур, системы информационных доступов и системы манипуляций на каждом уровне абстрагирования. Закономерности формирования каждой составляющей включают закономерности формирования структуры на каждом уровне абстрагирования и увязки их в единое целое.

В основе процесса формирования любой структуры и установления ее взаимосвязи со структурами других уровней абстрагирования лежит механизм

-М-

абстракций. Закономерность формирования бинарных связей раскрывается через применение абстракций определенного вида на каждом уровне абстрагирования. На абстрактном и конкретном уровнях выполняется процедура синтеза на основе абстракций «обобщения» и «агрегации» для статических отношений, абстракции «агрегация» для динамических и функциональных отношений, соответственно на объектном - процедура анализа на основе абстракций «уточнения» и «декомпозиции» для статических отношений, абстракции «декомпозиция» для динамических и функциональных отношений. Установление взаимосвязей между моделями различных уровней выполняется процедурой анализа на основе абстракции «уточнение».

Результатом процесса является фиксация бинарных связей вида «состав», «упорядочивание», «компоновка» для определенной пары элементов.

Соотношение между информационным доступом и структурными единицами на каждом уровне абстрагирования отражает особые взаимосвязи между структурными единицами типа «информационный атрибут» в рамках структурной единицы типа «информационная сущность». Соотношение между манипуляцией и структурными единицами на каждом уровне абстрагирования отражает функциональную взаимосвязь между структурными единицами типа «информационный атрибут» в рамках структурной единицы типа «информационная сущность».

Формирование тернарных связей между структурными единицами обусловлено законом цикличности знаковых представлений. Результатом их формирования являются элементарные схемы в виде соотношения между структурными единицами типа «информационный модуль», «информационная сущность», «информационный атрибут».

Взаимосвязи моделей разных уровней абстрагирования устанавливаются по каждой составляющей модели: элементам, статическим отношениям (бинарным, тернарным, схемам структурных единиц и бинарным на схемах), динамическим отношениям (информационным доступам и их связям), функциональным отношениям (манипуляциям и их связям).

В основе формального представления взаимосвязей моделей разных уровней лежит аппарат реляционной алгебры: построение допустимых бинарных структур обеспечивается применением операции «естественного соединения» к отношениям, представляющим уточнение элементов и заданную бинарную структуру более высокого уровня абстрагирования:

СЮ(1 + 1) = вЫЩ +1) о« СВ1 >« вЫЩ +1)

СЮе{1 + \) = 0~ШЕ(1 +1) >< >< втЩ+1) для статических отношений;

+ 1) = (Ш(1 +1) >< GQSi>< +1) для динамических отношений;

сдхо+1) = 0X1X0+1) >< вдх^ >« вхшТ+Г)

для функциональных отношений.

Поскольку универсальное инфологическое представление задает общую структуру и построение вербальных знаковых представлений, то необходимо исследовать возможность его применения и настройку при автоматизации проектно-конструкторских задач,

В третьей главе излагаются теоретические положения мифологического моделирования проеетно-конструкторских задач, а именно формальное описание инфологического представления предметных задач, формальное описание взаимосвязей моделей различных уровней абстрагирования и формальное описание процесса синтеза инфологических моделей.

Инфологическое представление предметной задачи - это совокупность инфологических моделей, включающая модель задачи объектного уровня и множество моделей конкретного уровня, отражающих различные реализации рассматриваемой предметной задачи.

Структура взаимосвязи инфологического представления предметной задачи с универсальным инфологическим представлением приведена на рисунке 2.

Инфологическое представление предметной задачи формально описывается следующим образом:

ILP(n) = (ILP2(n),ILP3(nm)), где ILP2(n)- инфологическая модель n-ой предметной задачи на объектом уровне,

7Щ» = {ILP3(nm)}, где ILP3(nm) - инфологическая модель конкретного уровня m-ой реализации пой предметной задачи.

Особенностью инфологического моделирования предметных задач является фиксация в качестве элементов динамических отношений предметных доступов на объектном и их экземпляров на конкретном уровнях, а в качестве элементов функциональных отношений - фиксация предметных манипуляций и их экземпляров на соответствующих уровнях абстрагирования.

Формальное описание инфологического представления n-ой предметной задачи на объектном уровне имеет вид:

ILP2(n) = (L2{n)J)E2(n),Q2(n),X2{n)),

где L2(ri) = С(п) = {сЦ} - множество именованных структурных единиц различных типов и сортов заданной предметной задачи;

DE2(n) = (D2(n), E2(n)^E2(n)JD(i2{nj) - множество статических отношений на именованных структурных единицах заданной предметной задачи, где D2(n) с С(п') х С(п) - множество бинарных отношений,

Е2(п) с С(п) х С(я) х С(п) - множество тернарных отношений, Е2(п) - множество схем именованных структурных единиц, De2(ri) с E2(n) х Е2(п) - множество бинарных отношений на схемах именованных структурных единиц;

12,_

0Е2=(02,Е2,Е2,0е2)

Объектный уровень

(1)

15(П)=С(П), 0Е2(п)=(02(п),Е2(п), | Е?(п),Ое(п))

Конкретный уровень

13(пгп)=К(пт),"

ОЕЗ(пт)= «ЭЗ(пт),ЕЗ(пт), Е3(|

02=(82,082), Б2 - типы инф. доступов

Х2=(Х2,С)Х2),

Х2 - типы манипуляций

(2)

! 02(п)=(82(п),032(пД ^

Э2(п) - предметные ! доступы

оз=(5з,азз), БЗ - экземпляры типов инф. доступов

Рис.2. Структура взаимосвязей универсального инфологического представления и инфологического представления предметных задач.

(5)

<23(пт)=(53(пт), ОЗ(пт)), 83(пт)-экземпляры предметных доступов

! Х2£п)=(Х2(п),ОХ2(п)) | ы Х2(п) -предметные (3) ; манипуляции

ХЗ=(ХЗ,ОХЗ),

ХЗ - типы манипуляций

ХЗ(пт)=(ХЗ(пт), _ ОХЗ(пт)), ХЗ(пш) - экземпляры предметных манипуляций

Q2(n) = (S2(n),QS2(ri))- множество динамических отношений заданной предметной задачи,

где S2(n) = R(n) = {гр}- множество предметных доступов, при этом предметный

доступ - это динамическая взаимосвязь между именованными структурными . единицами типа «информационный атрибут» в рамках именованной структурной единицы типа «информационная сущность» для заданной предметной задачи, что формально выражается следующим образом:

гри^,У) = {сгк1,...,сга),8сАп, гдеу.1<Nk,Nk =\CTk(ri)\,Aj, - особое условие,

накладываемое на взаимосвязи именованных структурных единиц типа «информационный атрибут»,

QS2(n) с R(n) х R(n) - множество бинарных отношений на множестве предметных доступов;

Х2(п) = (X2(n),QX2{n))- множество функциональных отношений заданной предметной задачи,

где Х2(п)~ {х^} - множество предметных манипуляций, при этом предметная манипуляция - это функциональная зависимость между именованными структурными единицами типа «информационный атрибут» в рамках именованной структурной единицы типа «информационная сущность» для заданной предметной задачи, что формально выражается следующим образом: *,2U,',v) ^((^AL & AJt), гдev:/ < N„Nt =|C;(»)|, OX2(n) с X2(n) x X2(n) - множество бинарных отношений на множестве предметных манипуляций.

Инфологические модели универсального инфологического представления накладывают ограничения на инфологические модели предметной задачи на каждом уровне абстрагирования. Ограничения на инфологическую модель предметной задачи объектного уровня имеют вид:

С(п) с С, D2(n) с D2, Е2(п) с Е2, Ё2(и) с Ё2, De2{n) с: Del, то есть инфологические структуры n-ой предметной задачи являются подструктурами инфологической модели объектного уровня универсального инфологического представления (позиция (1) на рис. 2), rp(j,t,v) ег,, x2Jj,t,v)exl ,

то есть предметные доступы и предметные манипуляции соотносятся с определенными типами информационных доступов и типами манипуляций инфологической модели объектного уровня универсального инфологического представления (соответственно позиции (2), (3) на рис. 2).

Формальное описание m-ой реализации n-ой предметной задачи имеет вид: 1ЬРЪ{пт) = (ЬЗ(пт), DE3(nm), ОЗ(пт), ХЪ{пт)\

где 13(«/я) = К{пт) = {kf} - множество состояний структурных единиц различных типов, сортов и подмножеств рассматриваемой реализации заданной предметной задачи;

БЕЗ{пт) = (Б\пт),Е?{пт),ЕЗ(пт\ОеЗ(пт)) - множество статических отношений на состояниях структурных единиц рассматриваемой реализации заданной предметной задачи,

где £>3(пт) а К(пт) х К(пт) - множество бинарных отношений,

Е3(пт) с К(пт) х К(пт) х К(пт) - множество тернарных отношений, Е3(пт) - множество схем состояний структурных единиц, ОеЗ(пт) с Е3(пт) х ЕЪ(пт) - множество бинарных отношений на схемах состояний структурных единиц;

(23(пт) = (53(пт),()83(пт)) - множество динамических отношений рассматриваемой реализации заданной предметной задачи,

где Б3(пт) = С(пт) = - множество экземпляров предметных доступов, при этом экземпляр предметного доступа - это динамическая взаимосвязь между состояниями структурных единиц типа «информационный атрибут» в рамках состояния структурной единицы типа «информационная сущность» для рассматриваемой реализации заданной предметной задачи, что формально выражается следующим образом:

= где В]и - особое

условие, накладываемое на взаимосвязи состояний структурных единиц типа «информационный атрибут»,

<28Ъ(пт) с С(пт) х С(пт) - бинарные отношения на множестве экземпляров предметных доступов;

Х3(пт) = (ХЗ(пт),ОХЗ(пт)) - множество функциональных отношений рассматриваемой реализации заданной предметной задачи, где ХЗ(пт) = {х3^} - множество экземпляров предметных манипуляций, при

этом экземпляр предметной манипуляции - это функциональная зависимость между состояниями именованных структурных единиц типа «информационный атрибут» в рамках состояния структурной единицы типа «информационная сущность» для рассматриваемой реализации заданной предметной задачи, что формально выражается следующим образом:

= , гдеV./< Л^, =\Ск(п)|,

ОХЗ{пт) с Х3(пт) х Х3(пт) - бинарные отношения на множестве экземпляров предметных манипуляций.

Ограничения на инфологическую модель предметной задачи конкретного уровня имеют вид:

Щпт) а КЗ, £>3(пт) с ОЗ, ЕЪ(пт) с ЕЪ, Е3{пт) с ~ЁЗ, ВеЗ(пт) с £>еЗ, то есть инфологические структуры т-ой реализации п-ой предметной задачи являются подструктурами инфологической модели конкретного уровня универсального инфологического представления (позиция (4) на рис. 2),

-м-

то есть экземпляры предметных доступов и предметных манипуляций соотносятся с определенными экземплярами типов информационных доступов и экземплярами типов предметных манипуляций инфологической модели конкретного уровня универсального инфологического представления (позиции (5), (6) на рис. 2).

Взаимосвязь моделей различных уровней абстрагирования для предметной задачи может быть представлена покомпонентно, то есть по элементам: С(п) -> К(пт),

по статическим отношениям: ПЕ2(п) -> ОЕЗ(пт), что раскрывается как £>2(л) -> ВЗ(йот), Е2(п) ЕЗ(пт), Ё2(п) -> ЕЗ(пт), Ое2(п) -> ОеЗ(пт), по динамическим отиошениям: <22(п) —> ОЗ(пт), что раскрывается как Д(и) -> С](пт), 052(и) -> 083(пт),

по функциональным отношениям: Х2(п) -> Х3(пт), что раскрывается как Х2(п) -> 0А'3(/ш).

В основе формального представления взаимосвязей моделей разных уровней абстрагирования для предметных задач также лежит аппарат реляционной алгебры: построение допустимых бинарных структур конкретного уровня обеспечивается применением операции «естественного соединения»' к отношениям, представляющим уточнение элементов и заданную бинарную структуру объектного уровня для конкретных предметных задач.

Таким образом формальным обоснованием взаимосвязи служат следующие зависимости:

<ЖЗ(л/я) = СС(п)К(пт) ><! (Ю2(п) >< СС(п)К(пт), СШеЗ(пт) = ОЁ2{п)ЁЗ(пт) >< (}1Ш{п) >< СЕ2{п)ПЪ{пт), 00§3(пт) = СМп)С(пт) >< СЮЯ2(п) >< С1ЩС(пт), вОЩпт) = а~Х2{п)ХЗ(пт) >< С0А'2(л) >< вХ2(п)ХЗ(пт) где СЮЗ(пт), СЮсЗ(пт), 0(Ш(пт), ЩШ(пт) -

допустимые представления бинарных связей соответственно состояний структурных единиц, схем состояний структурных единиц, экземпляров предметных доступов и экземпляров предметных манипуляций на конкретном уровне;

вС(п)К(пт), СЕ2{п)ЁЗ{пт), СМ(п)С(пт), ОХ2(п)ХЗ(тп) -отношения, описывающие соответственно уточнение именованных структурных единиц их состояниями, схем именованных структурных единиц - схемами их состояний, предметных доступов и предметных манипуляций - их экземплярами;

(Ю2(п), СЮе2(п), , С()Х2(п) -

отношения, описывающее бинарные связи соответственно именованных структурных единиц, схем именованных структурных единиц, предметных доступов и предметных манипуляций.

На основании данных зависимостей сформулированы правила взаимосвязи моделей разных уровней абстрагирования для предметной задачи.

Синтез инфологических представлений предметных задач предполагает последовательное объединение составляющих моделей на каждом уровне абстрагирования и формально описывается следующим образом: на объектном уровне:

Ь2о - и С(и), 1)2о = иЩи), Е2о = [)Е2(п), Ё2о = и ~Ё2(п), Ое2о = [)Ое2(п), 52о = УБ2(п), = \jQS2in),

Х2о = [)Х2(л), 0X2о = У 0Х2{п); на конкретном уровне:

ХЗо = иДи/я), /33о = уЩлю), £3б>=у£3(«от), £Зо = и£3(«'я), /ЗеЗо = У^еЗ(лт), БЗо = и 53(пт), (Жо = У 253(иот), ХЗо = 1)ХЗ(пт), 0ХЗо = иеХЗ(шг).

Сформулированные теоретические положения инфологического моделирования проектно-конструкторских задач являются обоснованием методики инфологического моделирования предметных задач при создании САПР машиностроительного назначения.

В четвертой главе излагается методика инфологического моделирования проектно-конструкторских задач. Данная методика предназначена для разработчиков САПР, специализирующихся в области обработки информации и знаний.

Структура процесса создания САПР машиностроительного назначения представлена на рисунке 3. В соответствии С этим процессом инфологическое

концептуального моделирования. Исходной информацией для рассматриваемого этапа является система знаний выделенной проектно-конструкторской задачи (комплекса задач) в виде совокупности концептуальных моделей, а результатом -проектное представление этой же задачи (комплекса задач) в виде инфологических моделей.

Исходя из современных требований к срокам создания САПР машиностроительного назначения инфологическое моделирование по этой методике может быть выполнено по одной из следующих стратегий:

1) строго последовательной - этап инфологического моделирования выполняется только после окончательного завершения концептуального моделирования всего комплекса задач в целом;

2) сопараллельной - возможность параллельного выполнения концешуаль-ного и инфологического моделирования проектно-конструкторских задач одного комплекса.

Методика включает описание процесса инфологического моделирования (объектный уровень), правил его выполнения, процедур, описание форм

Рис. 3. Процесс создания САПР машиностроительного назначения.

-го-

Общая структура процесса инфологического моделирования с учетом указанных стратегий представлена на рисунках 4, 5 и включает следующие основные процедуры: формирование обобщенной инфологической модели для комплекса проектно-конструкторских задач, формирование инфологической модели проектно-конструкторской задачи, выделение инфологической модели задачи из обобщенной, анализ инфологической модели задачи, синтез инфологической модели проектно-конструкторской задачи с обобщенной инфологической моделью.

Процедура формирования инфологическнх моделей (обобщенной и текущей) как под постоянную, так и под проектную информацию заключается в последовательном формировании инфологической структуры, системы предметных доступов, системы предметных манипуляций и формировании модели в целом путем увязки структур. При этом получаемая инфологическая структура является информационной структурой под проекгно-конструкторскую задачу, которая организована как многоуровневая конструкция и каждый уровень ее раскрывается набором именованных модулей, состоящих из совокупности именованных таблиц (фрагмент такой структуры приведен на рис.ба). Система манипуляций - это множество взаимосвязанных функциональных процедур (вычислительных, поисковых, диалоговых) обработки данных, хранящихся в полученной информационной структуре. Система предметных доступов обеспечивает выполнение информационных действий по записи и считыванию данных, необходимых для реализации функциональных процедур на сформированной информационной структуре. Инфологическая модель в целом -это полный алгоритм автоматизированного решения проектно-конструкторской задачи на полученной информационной структуре, в котором увязаны между собой расчетные, диалоговые и информационные действия. Фрагмент модели представлен на рис.66. Имена и связи элементов информационной структуры, содержание функциональных процедур и связи между ними обусловлены концептуальным представлением проектно-конструкторской задачи.

Процедура выделения инфологической модели проектно-конструкторской задачи заключается в последовательном выделении инфологической структуры, системы предметных доступов и предметных манипуляций из соответствующих составляющих обобщенной инфологической модели под комплекс задач, а также выделение модели в целом.

Процедура анализа инфологическнх моделей заключается в проверке корректности построения информационной структуры, системы предметных доступов и системы предметных манипуляций для проектно-конструкторских задач.

Процедура синтеза заключается в интеграции или объединении обобщенной и текущей моделей как по виду информации (постоянная, проектная), так и по составляющим модели (информационным структурам, системам предметных доступов и предметных манипуляций).

Мифологическое моделирование

Е

Мифологическое

моделирование

Ч-го комплекса

проектно-конструктор-

ских задач (ПКЗ)

Г

Фиксация комплекса ПКЗ Определение наличия инфологической модели (ИЛМ) для комплекса ПКЗ ИЛМ для комплекса ПКЗ существует? Все комплексы ПКо?

Нет Да Нет Да

Формирование обобщенной и локальных мифологических моделей для комплекса ПКЗ

Инфологическое моделирование проектно-конструк-торских задач

Вывод результатов

На экран На печать В файл

Рис.4. Детальная декомпозиция задачи "Инфологическое моделирование" (часть 1).

Мифологическое моделирование проектно-кон-струкггорских задач

Синтез ИЛМ ПКЗ с обобщенной ИЛМ Все задачи?

Нет Да

Фиксация ПКЗ для выделения

инфологи-ческой модели

Выделение инфологи-ческой модели проектно-констру-кторской задачи Все задачи комплекса?

Да Нет

Вывод результатов

На экран На печать В файл

п=п+1

Вывод результатов

На экран На печать В файл

Формирование

ИЛМ проектно-кон-структорской задачи

Анализ инфологичес-кой модели ПКЗ

Полна, связна модель?

Нет

Да

Рис.5. Детальная декомпозиция задачи "Мифологическое моделирование" (часть 2).

Вывод результатов

На экран На печать В файл

1-ый ъ ( ^ровень^

Имя модуля

Имя сущности

ИМЯ атрибута

Функционирование, МЗ

Офаничение задачи функционирования коробки передач, Ов!^

2-ой 1

Имя модуля

Имя

уровенйк сущности

Имя атрибута

Процесс, М1

I

Режим, ИЕО

-код режима, к

_ время работы на к-ом режиме, 1к

Средства, М2

Деталь, РЕТ

- Код детали, КО

частота вращения на к-ом режиме, пк

а)

Ь44-1

Определение коэфф. долговечности по изгибу

1-щ

Ь53-2 МЗ*Г Ь53-1 Ь53-2 ГМ4 Пмз] Ь54-2

► 0ЕТ та{0,НВ, с^г* Nfo ЯЕС овиг

Кй (егтП таЮДегтгЮ НВ к Щк <к,пк

Ь54-1

№е=60*пкЧк

Ь54-2 ГмТ ПУЛ! Ь55-2 Ь55-1 Ь55-2 ¡МЗ

№е НЕС РЕС КА=(№оМе) КЯ

к к -> **(1/тТ) к

б)

Рис.6. Фрагмент информационной структуры (а) и модели (б) задачи "Проверочный расчет цилиндрической зубчатой передачи на выносливость по изгибу".

Методика инфологического моделирования проектно-конструкторских задач предполагает фиксацию результатов в двух видах: графическом - в виде диаграмм (структурных и матричных) - и табличном - в виде спецификаций.

В пятой главе дано описание средств поддержки инфологического моделирования предметных задач, а именно описание процесса разработки автоматизированной подсистемы формирования инфологических моделей, состав и структура ее программно-технического комплекса, описание процесса его функционирования, приведены результаты апробации инструментальной системы для задачи «Проектирование цилиндрических зубчатых передач».

В соответствии с процессом создания САПР (рис.3) были выполнены следующие этапы автоматизации задачи «Формирование инфологических моделей проектно-конструкторских задач»: анализ традиционного выполнения данной задачи, ее концептуальное и инфологическое моделирование, выбор программно-технической среды и средств реализации, ее даталогическое моделирование и непосредственно реализация.

На этапе анализа процедуры «Формирование мифологической модели проектпо-конструкторской задачи» было определено место данной задачи в структуре задач инфологического моделирования, выполнена классификация информации и детальная декомпозиция данной процедуры. Результаты данного этапа оформлялись в виде структуры действий и спецификаций.

На этапе концептуального моделирования данной процедуры была построена ее концептуальная структура и система зависимостей. В результате было сформировано концептуальное представление в виде диаграмм и спецификаций.

На этапе инфологического моделирования подзадачи на основе концептуального представления была построена инфологическая модель в виде информационной структуры и алгоритма решения задачи на данной структуре также в виде диаграмм и спецификаций.

В качестве средств реализации были выбраны СУБД «Paradox» 4-ой версии для MS-DOS и язык реализации - процедурный язык PAL СУБД «Paradox». По «проектным» спецификациям и диаграммам с учетом выбранных средств были сформированы «технологические» спецификации и диаграммы для структуры данных и алгоритмов программ.

Реализация автоматизированной процедуры поддержки формирования инфологической модели включала организацию вычислительной среды - создание базы данных, таблиц и форм ввода-вывода - и организацию вычислительного процесса - написание и отладку комплекса программ. Тем самым был создан прототихшый вариант системы поддержки формирования инфологических моделей проектно-конструкторских задач.

В приложениях приводятся диаграммы и спецификации анализа, инфологических и даталогических моделей задачи «Формирование инфологической модели проектно-конструкторской задачи» и задачи «Проектирование цилиндрической зубчатой передачи».

-¿о-

Основные выводы и результаты работы.

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

1. Получено новое решение актуальной научной задачи, состоящее в методе моделирования проектно-конструкторских задач, обеспечивающем их инвариантное представление при автоматизации проектно-конструктсрсксй деятельности в машиностроении.

2. Установлены связи между свойствами вербальной информации, выявленными в результате анализа особенностей проектно-конструкгорской деятельности, и характеристиками формализованного представления проектно-конструкторских задач, независимого от среды и средств реализации.

3. Обосновано формальное описание инфологического представления проектно-конструкторских задач, включающее описание состава, структуры и взаимосвязей инфологических моделей разных уровней абстрагирования, которое позволяет установить всевозможные варианты связей между элементами структур этих моделей.

4. Обоснована система ограничений, накладываемых на инфологическое представление проектно-конструкторских задач, которая определяется универсальным мифологическим представлением и позволяет интегрировать представления различных задач в единое целое.

5. На основе полученного формального описания разработана методика инфологического моделирования проектно-конструкторских задач при создании САПР машиностроительного назначения.

6. Разработан прототипный вариант автоматизированной системы поддержки инфологического моделирования проектно-конструкторских задач и доказана его эффективность при решении практических задач.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Волкова Г.Д., Семячкова Е.Г. Применение методологии автоматизации интеллектуального труда к созданию САПР машиностроительного назначения. // Материалы 2-ой Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы фундаментальных наук», 23-28 января, Москва, 1994 г. (в печати);

2. Волкова Г.Д., Семячкова Е.Г. Основы инфологического моделирования при создании САПР машиностроительного назначения. // Сборник научных трудов Межвузовской научно-технической программы «Ресурсосберегающие технологии машиностроения», Москва, 1994 г., с. 329-333;

3. Волкова Г.Д., Семячкова Е.Г. Применение методологии автоматизации интеллектуального труда к созданию автоматизированных систем проектирования. И Межотраслевой научно-технический сборник «Техника. Экономика.», серия «Автоматизация проектирования». - М.: ВИМИ, 1995 г., выпуск 3-4, с. 48-55;

4. Семячкова Е.Г. Инфологическое представление предметных задач. // Материалы 3-его Международного конгресса «Конструкторско-технологическая информатика» - КТИ-96, 22-24 мая, Москва, 1996 г., с. 123-124;

5. Волкова Г.Д., Семячкова Е.Г. САПР для разработки прикладных автоматизированных систем. // Материалы 2-ой Международной конференции «Информационные технологии в проектировании» - ИТП-96, 1-5 июля, 1996 г., с.351-352.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Семячкова Елена Геннадьевна

Разработка методов и средств поддержки процесса инфологического моделирования при создании САПР машиностроительного назначения

Подписано з печать 19.11.96 Формат 60x84/16

Бумага ZOOM 80 гр/м Гарнитура

Объем уч.-изд. л. - 1.4 Тираж 100 экз

Заказ 127

Издание отпечатано в издательстве "Станкин" Лицензия на полиграфическую деятельность: ПЛД № 53-227 от 09.02.96г.