автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка новых методов и средств формирования и интеграции взаимосвязанных семантических и синтаксических представлений проектно-конструкторских задач с целью повышения эффективности создания систем автоматизации проектирования машиностроительного назначения

;-ГБ ОД - 3 № 1997

На правах рукописи

ВОЛКОВА ГАЛИНА ДМИТРИЕВНА

РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ФОРМИРОВАНИЯ И ИНТЕГРАЦИИ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ СЕМАНТИЧЕСКИХ И СИНТАКСИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ ЗАДАЧ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.13.12 -Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА 1997

Работа выполнена на кафедре "Автоматизированные системы проектирования и управления" Московского Государственного Технологического университета "СТАНКИН"

Научный консультант -член-корреспондент РАН

Соломенцев Ю.М.

Официальные оппоненты -доктор технических наук,

профессор Эрлих А.И. -доктор технических наук, профессор Соколов В.П. -доктор технических наук, профессор Митрофанов В.Г.

Ведущее предприятие -АО МосСКБ АЛ и АС

Защита состоится '3" ОШ^Р^Л- 1997г. в /^час._мин.

на заседании Диссертационного Совета Д 063.42. 02 Московского Государственного Технологического Университета "СТАНКИН".

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 103055, г. Москва, Вадковскин пер. ,3-а, Диссертационный Совет Д 063.42.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ "СТАНКИН".

Автореферат разослан 9977т:

Исполняющий обязанности Ученого секретаря Диссертационного Совета Д 063.42.02 д.т.н.,проф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Обострение конкурентной борьбы в рыночных условиях требует от производителей машиностроительной продукции искать резервы повышения эффективности производства, сокращения сроков создания изделия и в том числе сроков его .проектирования, повышения его качества и надежности. Частичной автоматизацией интеллектуальных и информационных процессов при создании машиностроительных объектов практически невозможно добиться существенного сдвига в решении этих проблем.

В настоящее время любая проектно-констружторская организация для эффективного функционирования в условиях рыночной экономики должна иметь систему организации и ведения ее стратегического ресурса -интеллекта и информации - в виде корпоративных автоматизированных интеллектуальных и информационных систем, обеспечивающих оптимальную организацию этого ресурса и рациональное его использование на основе новых информационных и коммуникационных технологий для достижения основных целей организации. При этом проектно-консгрукторская организация может входить как организационно-технологический и интеллектуальный ресурс в структуру виртуального предприятия • гибкой и динамичной организационной системы, наиболее приспособленной для скорейшего выпуска новой продукции и ее оперативной поставки на рынок.

Объем и сложность современных корпоративных интеллектуальных и информационных систем, обеспечивающих автоматизацию проектно-конструкторской деятельности в машиностроении и процессов ее управления, постоянно растут, поэтому успешное функционирование таких систем зависит от того, насколько хорошо они спроектированы и реализованы в вычислительной среде и согласованно функционируют. Классические методы проектирования прикладных автоматизированных систем, базирующиеся на традиционных подходах (каскадном, непрерывной разработки, макетирования) обладают рядом существенных недостатков, таких как многократная итерациогагостъ процесса разработки, применение к задачам небольшой сложности из-за необходимости переработки и увязки больших объемов информации, и характеризуются рядом таких проблем как получение полной и достоверной информации от предметных специалистов об автоматизируемой задаче, достаточной для разработчиков; интеграция представлений предметных задач в вычислительной среде и т.д.

При увеличении размерности и сложности независимо автоматизируемых проектно-конструкторских задач эффективность автоматизации падала из-за сложности и разнообразия представлений предметных задач, из-за трудностей их формализации и огромных затрат на согласованное взаимодействие в вычислительных средах.

Применение графического интерфейса, сетевых технологий организации и обработки данных позволили частично снять некоторые из перечисленных проблем, но с особой остротой в современных условиях -использования кооперативных технологий и компьютерных коммуникаций в

системах автоматизации проектно-конструкторской деятельности для машиностроения - проявились проблемы непрерывного развития и совершенствования таких автоматизированных систем и комплексов, а также их интеграции в разнородных информационных средах. При этом интегрирующим элементом современных корпоративных

автоматизированных систем проектно-конструкторской организации в машиностроении может являться не информационная или функциональная модель предприятия, а только семантическая (понятийная модель) предметной области проектно-конструкторской деятельности.

В связи с изложенным особую актуальность в настоящее время приобретает научная проблема, состоящая в создании методов проектирования САПР машиностроительного назначения, обеспечивающих технологичность их последующего изготовления (реализации), эксплуатации и развития (совершенствования) на основе взаимосвязанных представлений проектно-конструкторских задач.

Целью настоящей работы является повышение качества и эффективности процессов создания, эксплуатации и развития САПР машиностроительного назначения путем разработки методологии ее проектирования на основе промышленного способа создания автоматизированных систем, позволяющей формировать и интегрировать взаимосвязанные семантические и синтаксические представления проектно-конструкторских задач.

Научная новизна заключается в:

- выявлении и описании закономерностей формирования и интеграции семантических (концептуальных) представлений системы знаний предметных областей проектно-конструкторских задач,

- выявлении и описании закономерностей формирования и интеграции синтаксических (инфологических) представлений САПР машиностроительного назначения, отражающих ее состояние на этапе проектирования, в выявлении и описания закона цикличности знаковых представлений,

раскрытии сущности взаимодействия различных представлений автоматизированной системы в процессе ее создания и установления на базе этого связей между системой знаний предметной области, проектными и технологическими спецификациями и эксплуатационными характеристиками САПР машиностроительного назначения,

- разработке теоретических положений концептуального и мифологического моделирования и их взаимосвязей,

- разработке методологии проектирования САПР на основе теоретических положений.

Методы исследования. При разработке теоретических положений диссертационной работы использован математический аппарат теории множеств, математической логики, реляционной алгебры, основы искусственного интеллекта, методы представления знаний и баз данных.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты теоретических исследований и экспериментальных проверок нашли следующее практическое применение:

-разработана методика анализа традиционного решения проектно-конструкторских задач,

-разработана методика концептуального моделирования проектно-конструкторских задач, обеспечивающая формирование и интеграцию системы знаний этих задач,

-разработана методика инфологического моделирования проектно-конструкторских задач, обеспечивающая формирование и интеграцию представлений автоматизированной системы, которые инвариантны к программно-техническим средствам ее реализации и адекватны выявленной семантике проектно-конструкторских задач

- разработаны рекомендации по даталогическому моделированию проектно-конструкторских задач, обеспечивающих настройку на выбранные программно-технические средства реализации САПР.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: -Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в проектировании технических устройств и автоматизированных системах" в г. Воронеже в сентябре 1993г.

-Второй Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" в г. Москве в январе 1994г.

-Первой Международной конференции "ВОСТОК-ЗАПАД. Информационные технологии в проектировании" в г. Москве в сентябре 1994г.

- конференции "Ресурсосберегающие технологии" в г. Москве в январе 1995г.

-Третьем Международном конгрессе "Конструкторско-технологическая информатика" в г. Москве в мае 1996г.

-Второй Международной конференции "ВОСТОК-ЗАПАД. Информационные технологии в проектировании" в г. Москве в июле 1996г.

-Пятой национальной конференции по искусственному интеллекту в г. Казани в октябре 1996г.

Полное содержание диссертации обсуждалось на расширенных заседаниях кафедры "Автоматизированные системы проектирования и управления"

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 23 печатных работах.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при выполнении научно-исследовательских работ по федеральной целевой программе "Технологии, машины и производства будущего" и научно-исследовательской работы 2Д-208/1-94 по программе Министерства науки и технической политики "Разработка автоматизированной системы концептуального проектирования техники и технологий и обучения профессиональному творчеству" на этапе разработки

проекта автоматизированной системы поддержки концептуального проектирования технических систем.

Основные результаты работы применяются при чтении лекций и выполнении курсовых и дипломных проектов по дисциплинам: "Технология информационных процессов", "Методы концептуализации предметных задач", "Технология создания автоматизированных систем" для студентов специальности 22.03 "САПР в машиностроении" и при чтении лекций и выполнении самостоятельных работ по курсу " Информационное обеспечение автоматизированных систем" для аспирантов всех научных специальностей МГТУ "СТАНКИН".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литфатуры и приложений. Работа содержит 608 стр. сквозной нумерации, включая 97 рис. и 196 стр. приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. Анализ состояния проблем автоматизации проектно-конструкторской деятельности в машиностроении.

В данной главе по результатам имеющихся исследований проанализированы: общие особенности создания прикладных автоматизированных систем (ПАС); особенности проектно-конструкторской деятельности и их влияние на организацию и представление информации и знаний в автоматизированных системах проектирования машиностроительного назначения; особенности и проблемы создания, эксплуатации и развития систем автоматизации проектно-конструкторской деятельности.

Рассмотрены характерные черты эволюции автоматизации информационных и интеллектуальных процессов, проанализированы методы, методологии и инструментальные средства создания ПАС в соответствии с выявленными этапами эволюции: электронная обработка данных, информационные технологии, новые информационные технологии и когнитивный подход.

Приведены результаты исследований по классификации методов и средств создания ПАС, которые показали, что существуют проблемы, обуславливающие значительную трудоемкость как процессов создания ПАС, так и их эксплуатации и развития: 1) сложность получения полной и достоверной информации от заказчиков автоматизированных систем, 2) способы представления информации об автоматизируемых задачах позволяют фиксировать частные аспекты этих задач, а целостное представление о них - только в голове у разработчиков ПАС, 3) жесткая ориентация процесса создания ПАС на фиксированные программно-технические среду и средства ее реализации, 4) переход от естественноязыкового представления информации и знаний прикладных задач, зафиксированных на традиционных носителях, к их формально-языковому представлению в вычислительной среде практически выполняется на основе последовательно-итеративных процессов,5) интеграция автоматизированных

задач обеспечивается неформальным итерационным процессом согласования их представлений между разработчиками.

Рассмотрены и проанализированы подходы в области исследования закономерностей создания и функционирования машиностроительных объектов. Большой вклад в исследовании закономерностей проектирования, изготовления и функционирования технических систем внесли Соломенцев Ю.М., Павлов В.В., Митрофанов В.Г., Прохоров А.Ф., Хубка, Д. Джонс, К.Рот, Попов В.В., Круглов Г.А., Косов М.Г., Колесов И.М. и другие отечественные и зарубежные ученые.

Анализ особенностей проектно-конструкторской деятельности позволил выделить отличительные черты данного вида интеллектуальной деятельности, которые существенным образом влияют на организацию и представление информации и знаний в автоматизированных системах проектирования и в недостаточной степени учитываются существующими методами и средствами создания ПАС.

К таким особенностям относятся: прогнозный характер проектных решений, отражающих будущие состояния функционирования машиностроительных объектов и базирующихся на знаниях о все.ч жизненном цикле этих объектов - о возможностях производственной среды, о диапазоне условий эксплуатации, о вариантах утилизации и др.; сильная зависимость целей проектирования от частных проектных решений, обуславливающих многоальтернативность их достижения с использованием всего спектра закономерностей создания и функционирования машиностроительных объектов - от общефундаментальных до частнопрактических.

Выполненный анализ исследований и разработок в области методов и средств автоматизации проектно-конструкторской деятельности в машиностроении позволил выявить основные проблемы в этой области: -извлечение знаний из памяти специалистов и документальных источников о процессе решения проектно-конструкторских задач; -представление и интеграция извлеченных знаний; - отображение проектно-конструкторских знаний в вычислительную среду.

Значительный вклад в разработку методов автоматизированного проектирования машиностроительных объектов и технологий внесли Капустин Н.М., Павлов В.В., Соколов В.П., Вяткин Г.П., Горнев В.Ф., Норенков И.П.,Гусев A.A.

В диссертационной работе рассмотрены около 140 научных публикаций.

На основе аналитического обзора можно сделать следующие выводы.

1. Изучение отечественных и зарубежных публикаций показывает, что несмотря на большое количество разработок в области исследования методов и средств создания систем автоматизации интеллектуальных и информационных процессов, в том числе систем автоматизации проектно-конструкторской деятельности в машиностроении, проблема повышения качества и эффективности их создания, эксплуатации и ,особенно, развития остается актуальной.

2. При создании прикладных автоматизированных систем, в том числе и САПР, большинство разработчиков и исследователей не выделяют в отдельный этап процесс формирования модельного представления прикладных задач, инвариантного к программно-техническим средствам реализации автоматизированных систем.

3. Использование существующих методов и средств создания ПАС для построения САПР машиностроительного назначения является не достаточно эффективным из-за ориентации их на представление и моделирование хорошо задокументированной информации (практически полностью объективированных данных), в то время как для САПР процедура выявления/объективирования информации и знаний о задаче из памяти специалистов является одной из фундаментальных проблем автоматизации проектно-конструкторской деятельности.

4. Разнообразие и сложность предметного содержания проектно-конструкторских задач практически остается за рамками их автоматизированной реализации, что существенно затрудняет процессы эксплуатации и развития САПР машиностроительного назначения из-за неполноты их отражения и сложности интеграции в вычислительной среде.

На основании результатов исследовании сформулирована цель работы: повышение качества и эффективности процессов создания, эксплуатации и развития САПР машиностроительного назначения путем разработки методологии ее проектирования на основе промышленного способа создания автоматизированных систем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научные задачи:

1. Проведение исследований по выявлению закономфностей формирования взаимосвязанных представлений САПР машиностроительного назначения на различных этапах ее создания, включающих:

- закономерности формирования и интеграции описаний систем проектно-конструкторсзсих знаний в виде концептуальных представлений;

- закономерности формирования и интеграции представлений САПР машиностроительного назначения (проектных представлений), инвариантных к программно-техническим средам и средствам ее реализации;

- закономерности формирования и интеграции представлений САПР машиностроительного назначения (технологических представлений системы), ориентированных на определенные программно-технические среду и средства ее реализации;

- закономерности отображения концептуальных представлений в проектные и технологические представления при создании САПР машиностроительного назначения.

2. Разработка теоретических положений методологии проектирования САПР машиностроительного назначения на основе выявленных закономерностей.

3. Разработка методического обеспечения этапов создания САПР машиностроительного назначения:

- анализа -традиционных процессов решения проектно-консхрукторских задач,

концептуального моделирования системы знаний проектно-конструкторских задач,

- инфологического (проектного ) моделирования проектно-конструкторских задач,

даталогического (технологического) моделирования проектно-конструкторских задач,

4. Разработка комплекса инструментальных средств для поддержки процедур формирования, анализа и синтеза представлений на отдельных этапах создания САПР машиностроительного назначения.

ГЛАВА 2. Исследования и обоснования теоретических положений для промышленного способа создания систем автоматизации проектирования машиностроительного назначения.

Повышение эффективности автоматизации интеллектуальных производственных процессов, в том числе проектно-конструкторской деятельности, невозможно без вскрытия глубинных закономерностей, лежащих в основе этих процессов. Поиск принципиальных решений обеспечивается сопоставлением эволюции производства техники и эволюции автоматизации.

Одним из решений комплекса проблем автоматизации явилась поэтапная разработка методологии автоматизации интеллектуального труда на основе семиотического подхода и его развития. Применение семиотического подхода к решению главной проблемы автоматизации -переходу от естественно-языкового представления знаний специалистов к их формально-языковому представлению в вычислительной среде (ЕЯ—>ФЯ) -позволило сформулировать адекватность такого перехода как синонимичность знаковых представлений.

Развитие семиотического подхода выполнялось в двух направлениях: 1) учет свойства внутренней интерпретации системы знаний позволило выделить уровни абстрагирования (абстрактный, объектный, конкретный) в методологии; 2) учет множественности формально-языковых представлений позволил выделить необходимое и достаточное количество промежуточных модельных представлений, обеспечивающих промышленный способ создания прикладной автоматизированной системы и теоретически связать все этапы создания в единое целое.

Суть методологии автоматизации интеллектуального труда заключается в получении последовательности отображений прикладных задач в виде формализованных моделей (инфологической - ИЛМ и даталогической - ДЛМ), на основе первоначально формируемой концептуальной модели прикладной задачи на трех уровнях абстрагирования. Схематично методология автоматизации интеллектуального груда представлена на рис. I .

Мифологическая модель является модельным представлением, аналогичным представлению конструкции в машиностроении с помощью чертежей, или "конструкторским" проектом автоматизированной системы,

инвариантным к программно-техническим средам и средствам реализации.

Даталогическая модель является также модельным представлением, аналогичным представлению технологии в виде технологических карт, или "технологическим" проектом автоматизированной системы, ориентированным на выбранные программно-технические среды и средства реализации.

Первоначальное построение концептуального представления прикладной задачи обеспечивает выявление основы для интерпретации данных, используемых при ее автоматизированном решении и смысловое единство для всех формально-языковых представлений этой задачи. Из схематичного представления видна определяющая роль концептуального моделирования на абстрактном уровне.

КМ1 ИЛМ1 ДЛМ1

ДЛМ2 —»

кмз илмз . дпмз -

Р е о л и

а

и я

Рис.1. Методология автоматизации интеллектуального труда, где КМ - концептуальная модель, ИЛМ - мифологическая модель, ДЛМ -даталогическая модель и индексы обозначают уровни абгграгированйя:1-а5страктный, 2-объектный, 3-конхретный.

Проработка вопроса единообразного представления множества разнородных моделей, отражающих разную степень обобщения или абстрагирования для прикладных задач, позволила сформулировать общее определение моделей, раскрывающее их состав.

Исследование механизмов порождения связей в информационных моделях и моделях знаний, изложенные в отечественных зарубежных публикациях, позволили выделить механизм абстракций для формирования семантических и синтаксических моделей и установить необходимое и достаточное множество абстракций и соотношений между ними: обобщение н агрегация для процедуры синтеза, уточнение и декомпозиция для процедуры анализа.

Анализ и систематизация используемых в существующих методах моделирования информации и знаний типов и видов связей позволили свести многообразие именованных связей к двум типам - бинарным и тернарным связям. Для бинарных связей были выделены следующие виды: "состав" (на

основе отношения принадлежности или включения), "упорядочивание" (на основе отношения полного порядка на множестве) и "компоновка" (на основе отношения локального порядка на подмножестве, обусловленного наличием связи "состав"). Такое унифицированное представление разнородных моделей на разных уровнях абстрагирования обеспечивает определенную степень точности при установлении их взаимосвязей.

Сравнительный анализ наиболее полных и типичных подходов и методологий к созданию автоматизированных систем различного назначения, разработанных организациями: - фирма ORACLE; - фирма Meta Software (IDEF-технологш); - МГТУ им. Баумана и АО СПРУТ; - МИФИ -позволил выделить особенности и отличия разработанной методологии автоматизации интеллектуального труда и показал, что ее преимущество заключается в: - формировании последовательности отображений автоматизируемой задачи на трех уровнях абстрагирования, - наличии модельного представления, инвариантного к средствам реализации.

Разработанная укрупненная методология автоматизации

интеллектуального труда позволила обосновать промышленный способ создания САПР машиностроительного назначения, выделить методологию ее проектирования как процесс формирования взаимосвязанных семантических и синтаксических представлений проектно-конструкторских задач.

ГЛАВА 3. Разработка метода формирования и интеграции взаимосвязанных представлений проектно-конструкторских задач.

Разработка метода концептуального моделирования как основы представления системы знаний проектно-конструкторских задач заключалась: в выявлении методологических, теоретических и практических оснований; в определении структуры и состава концептуальных представлений; в выявлении закономерностей формирования концептуальных моделей и их интеграции.

В качестве методологических оснований были выделены: 1) методология создания машин, которая определяет, что качество производства любой машины определяется качеством и согласованным взаимодействием проектной, технологической и производственной сред ее реализации, требующее увязки жизненных циклов разнородных объектов: машины, сред и их компонентов, организационных и др. элементов; 2) уточненная структура абстрактной производственной задачи (рис.2), которая является минимальной понятийной конструкцией, позволяющей представлять любые производственные процессы с любой степенью детализации путем насыщения компонент задачи различными объектами; 3) элементы теории познания. В качестве теоретических оснований -теоретические принципы и закон цикличности познания, сформулированные в области искусственного интеллекта; теория концептов. В качестве практических оснований выделены особенности проектной деятельности.

Концептуальное моделирование в соответствии с методологией промышленного создания САПР осуществляется на трех уровнях абстрагирования: -абстрактном, обеспечивающем общее представление

систем знаний; -объектном, обеспечивающем представление специфики систем знаний предметных областей; - конкретном, описывающем множество конкретных фактов, событий, явлений реального мира в процессе решения прикладных задач. При этом концептуальная модель любого уровня включает: - множество элементов (категорий ), - множество структурных связей на этих элементах, - множество ограничений на связи и элементы. Под категорией понимается обобщенный термин для понятий разных уровней абстрагирования.

Представление концептуальных моделей включает в себя две части: универсальное концептуальное представление и концептуальные представления предметных задач. Универсальное концептуальное представление определяет общее строение системы знаний на разных уровнях абстрагирования, а концептуальные представления предметных задач определяют строение системы знаний для конкретных предметных областей. Исходя из такого представления концептуальных моделей структура их формального описания имеет вид, приведенный на рис. 3.

При этом универсальное концептуальное представление включает концептуальные модели всех трех уровней абстрагирования, связанные между собой по-компонентно (по статическим - KMi.I и динамическим -KMi.2 составляющим), а концептуальное представление предметных задач включает концептуальные модели только объектного и конкретного уровней абстрагирования, также связанные по- компонентно (по статическим -KMi.l-n/nm и динамическим - KMi.2-n/nm составляющим). Расслоение содержательного представления прикладных задач по уровням абстрагирования предопределяет возможность его интеграции на объектном и конкретном уровнях.

Универсальное концептуальное представление включает в себя концептуальные модели трех уровней абстрагирования: KU = (Kl, К2, КЗ).

Формальное описание концептуальной модели универсального представления на i-том уровне абстрагирования имеет вид:

Ki = (Mi,THi,Fi), где Mi - {т^}- множество категорий i-ro уровня, ТНг -множество статических отношений на категориях, Fi -множество динамических отношений на категориях.

THi = {Ti,Hi, Hi, ТЫ), где Ti cz Mix Mi - множество бинарных отношений на Mi, Hi с. Mi х Mi ж Mi - множество тернарных отношений на Mi, Ш = - множество схем категорий, ThicHixHi- множество бинарных отношений на Hi,

Fi = (Vi,FVi), где Vi={vik}- множество ограничений i-ro уровня абстрагирования, FVicVixVi- множество бинарных отношений на Vi. Ограничение отражает существование функционального отображения на подмножестве множества Mi в виде: f-.Mi-tVi. Состав формального описания моделей приведен в таблице 1. Множество информационных категорий сформировано в результате исследования особенностей представления информации и знаний о производственных процессах и

Абстрактная производственная задача

Исполнитель

Условия Объект Документ Форма

Пооивсс Процесс

Цвль Объест Документ Форма

Средства Устройство Программа Документ Форма

Рис.2. Структура абстрактной производственной задачи.

включает: ЦИКЛ (ш1), ПРОЦЕСС (т2), ЗАДАЧА (тЗ), КОМПОНЕНТ (т4), ОБЪЕКТ (ш5), ПРИЗНАК (тб), ЗНАЧЕНИЕ (т7).

Табл. 1. Состав моделей универсального концептуального представления

Абстрактный уровень Объектный уровень Конкретный уровень

ш Информационные категории (ИК) М\ = {т } Предметные категории (ПК): А = {«Л Экземпляры предметных категорий (ЭПК): в=№

"П: Упорядочивание ИК-з Состав ИК-з Компоновка ИК-] П={(ОТ„ОТ/)} Упорядочивание ПК-п Состав ПК-п Компоновка ПК-п Т2={(а„а„)} Упорядочивание ЭПК-т Состав ЭПК-т Компоновка ЭПК-т гз={(ь:,ьг)}

И: Контекстуальная ИК-з Структурная ИК-з+1 Методическая ИК-э+2 #1 = {(»»„ трщ)} Контекстуальная ПК-п Структурная ПК-п+1 Монадическая ПК-п+2 КонтексгуальнаяЭПК-т Структурная ЭПК-т+1 МонадическаяЭПК-т+2 нз = {(ь:,ьг,ьП)

Ш: схемы ИК н\=№ схемы ПК схемы ЭПК

ТЫ: Упорядочивание схемы ИК-з Состав схемы ИК^' Компоновка схемы ИК-з Упорядочивание схемы ПК-п Состав схемы ПК-п Компоновка схемы ПК-с т=тЛ)} Упорядочивание схемы ЭПК-т Состав схемы ЭПК-т Компоновка схемыЭПК-т

VI: Классы зависимостей КЗ К1 = {у,} Типы зависимостей зависимостей -ТЗ Экземпляры типов зависимостей -ЭТЗ Р ={/>?}

ЕУк Упорядочивание КЗ ^ Состав КЗ-з Компоновка КЗ^ Упорядочивание ТЗ -п Состав ТЗ-п КомпоновкаТЗ-п ¥У2 = {("„>%)} Упорядочивание ЭТЗ-га Состав ЭТЗ -т Компоновка ЭТЗ-т

Соотношения между категориями и ограничениями (по рис.3): \(-{т},т,)8с{т^т1)\щ,1П) еЛ/1 (т;,»1,)е71

• отношение между классами зависимостей и информационными категориями на абстрактном уровне (позиция (1));

у/, =(ал,...,аА)&04 - отношения между типами зависимостей и

предметными категориями на объектной уровне, где q = L¡ =\А:\ и 011 -условие, определяющее особые связи структурных и контекстуальных предметных категорий(позиция (2));

р' - отношения между экземплярами типов

зависимостей на конкретном уровне, где = и Нш - условие, определяющее особые связи структурных и контекстуальных экземпляров предметных категорий (позиция (3)).

Существование закономерностей формирования концептуальных моделей обусловлено фундаментальными положениями: 1) структурой процесса познания: от конкретного наблюдения или "живого созерцания" (путем обобщения) к абстрактному мышлению и от абстрактного мышления (путем уточнения) к практике; 2) законом отрицания отрицания: синтез для "общего", анализ для "особенного", синтез для "единичного"; 3) законом цикличности научного познания.

Концептуальная модель любого уровня есть совокупность двух видов отношений- статических и динамических/функциональных, то соответственно выявлены закономерности: формирования концептуальных структур на элементах и схемах категорий и формирования систем ограничений. Каждая закономерность охватывает процесс порождения структур на кавдом уровне абстрагирования и увязку структур в единое целое. Общая схема всех закономерностей представлена на рис. 4.

Закономерности формирования статических отношений включают формирование бинарных и тернарных связей между категориями (рис.5) и бинарных связей между схемами категорий (рис.6). Результатом процесса является фиксация бинарных связей вида "состав", "упорядочивание", "компоновка" для определенной пары категорий и пары схем категорий. В процессе формирования бинарных связей между категориями на каждом уровне абстрагирования выявлено повторение применения абстракций, как проявление закона цикличности. Повторяемость абстракций разбивает множество категорий на триады или элементарные схемы. Формирование тернарных отношений базируется на наличии связей между категориями триады. В триаде каждой категории отводится определенная роль (в соответствии с функциональными уровнями закона цикличности: контекстуальная, структурная, монадическая- рис.5,8).

Результатом формирования статических отношений являются концептуальные структуры, которые отражают и "родословную" признаков объектов реального мира и их значений, и структуру смыслового "масштабирования" на всех уровнях абстрагирования.

Методологическим основанием существования ограничений на концептуальные структуры является представление фундаментальных, прикладных и практических законов и закономерностей, реализуемых в любой производственной задаче в виде ограничений на абстрактную производственную задачу, т.е. ограничения как "неполноты" контекстуальной категории ("задачи") из структурных ("компонент"). В силу закона цикличности подобное ограничение распространяется и на другие уровни сложности семантического представления. Вложенность уровней сложности семантического представления определяет закономерность формирования ограничений в концептуальных моделях (рис. 7и8).

В основе взаимосвязей моделей различных уровней абстрагирования лежит механизм абстракций. Поскольку переход от абстрактного уровня (от общего) к конкретному (к частному) основан на анализе, то для каждой

ГдЛ н а л и э

Абстрактный уровень ОбъектнШуросень Конкретный уровень

Рис.4. Общая структура закономерностей формирования концептуальных моделей.

цикл агрегация процесс ь— обобщение

задача

агрегация компонент обобщение объект

агрегация признак в— обобщение

значение

—^ {предметный цикл-!}

декомпозиция

—о {предметный процесс^}

уточнение —» {предметная задачп-к}

декомпозиция -»{предметный компонент-!} уточнение

—»{предметный объекг-т}

декомпозиция —»{предметный признак-п}

уточнение

—»(предметное значение-р}.

цикл

декомпозиция

процесс е——

уточнение

задача •-

декомпозиция компонент е-

уточнение

объект о-

декомпозиция

признак «-

уточнение

значение в- ...

-* {экз.прадм.цикпа-Щ агрегация

■ч> {экэ.предм.процесса-]т} <

обобщение

{зкз.предмладачи-кп} агрегация _»{акз.предм.компонента-!р обобщение

_» {экэ.предм.объекга-«п1

агрегация

_» {»га.првдм.признака-гу} обобщение

-» {зю.предм.значения-рк}.

Абстрактный уровень

Объектный уровень

Объектный уровень

уточнение уточнение

Рис.5. Закономерность формирования бинарных связей между категориями.

Конкретный уровень

СП

. схема цикла о-ггрегвция

»схема задачи о

агрегация .схема объекта _

Абстрактный уровень

{схс*а прздгл.циклач}

декомпозиция {схема предм.задачи-к}.

декомпозиция -»{схема прсдм.объскга-т}.

уточнение

н> ОЬ\сеткый уроаснь

✓*" схема продм.цияий®-» {схема эхз-ра предм.цикпа-Щ

( докомпогиция агрегация

Ъ«хека продадладами-к&~&{схема зкэ-ра прадыладачм-кп} ( дзхоипогиция Ч*схема прадм. объектами

агрегация {схема экэ-ра продм.овъвета-тк

Объектный уровень

уточнение

-е» Конкретный уровень

Рис.6. Закономерность формирования бинарных соязей иоеду схемами категорий.

класс /"замсиыости-и_

^ агрегация V класс Хзазисимости-(+1>-[ агрегация V. класс засж:ймости4+2

Абстрактный уровень

{тип зависимости-»}

декомпозиция 1

-»{тип г азисимости-{1+1

декомпозиция ]

-»{тип зазисимости-0+2)г}^

уточнение

Сбьекткый урозень

^»тип ^тип

тип газисииости-а о— декомпозиция

.тип зависимоети-('н-1)1«

даном позиция з&знсиыости-(1+2)г*

Объектный урооокь

уточнение

{екз.типа зав-сти -4ак} агрегация {зкз.типа зав-сти -0+1)0},

агрегация {экз.типа заз-сти -0+2)пп}-

Конкретный уровень

Рис.7. Захоноашрность формирования бинарных связей иеззду ограничениями.

(—I

-о

Концептуальная структура абстрактного уровня

: К = цикл

I

С = процесс

I

М = задача = К = задача

I

С = компонент

I

М = объект =

Ограничения на концептуальную структуру

Класс зависимости-!

= К = неполный цикл ¡4-

С = неполный процесс

I

М = неполная задача = К = неполная задача

I

С = неполный компонент

К = объект

I

С = признак

I

М = значение

Класс зависимосга-1+1

М= неполный объект = К = неполный объект

I

С = неполный прнзпак

I

М = неполное значение

Класс зов-ти-1+2

Концептуальная структура Ограничения на концептуальную структуру (типы зависимостей -ТЗ) объектного уровня тз-П тз-(»+1)5

= К =предмеггаый ... = К = неполный !-

I нредм.щпел-р; С = неполный ! | предм.процссс^ М = неполная = К = неполная

| цикл-р С =прсдмсшый | процесс^

М =предм. = К ^предметная задача-к | задача-к

С =предметный | компонент-п М =предмегный = К =предметный М= неполный объект-т | объект-т преди. объект-т

С =предмстный | признах-1 М =предиетное значение^

ТЗ-0+1)2 ТЗЧ»+1)1 |

Т3-й+2)3 -

предм.задача-к | предм.задача-к I \

С = неполный | ! | предм. компонент-п ТЗ-(1+2)1

К = неполный | предм.объекг-ш С = неполный | предм .прпзпак-1 М = неполное

предм. значение^

ТЗн

[1+2)2

Рис. 8. Процесс порождения ограничений на концептуальных структурах абстрактного н конкретного уровней

пары моделей их взаимосвязь определяется абстракцией "уточнение" по каждой составляющей модели.

Схематично это можно представить: Кг -»К(г + 1), / = 1,2 т.е.:

М МО +1); т\ -> ТН{1 +1):

П-+ТЦ +1), #<-*#(/ +1), #¡-»#(< + 1), 77»' -> ТЩ} + 1); П +1): Г/ -> + IX /У/ РУО +1) Формальное обоснование взаимосвязей моделей разных уровней обеспечивает аппарат реляционной алгебры: построение допустимых структур обеспечивается применением операции "естественного соединения" к отношениям, представляющим уточнение элементов и заданную бинарную структуру более высокого уровня абстрагирования ( >< - операция "естественное соединение"): вТЦ +1) = +1) о< вП >< (Ш(1 +1) ,

йЩг +1) = 0/ЛЯ(/ +1) >« й7Ы >< СШНЦ +1) -Для статических отношений и С/ТО' +1) = СИУ(/ +1) ><з а^Уг ><з GF/F(i + 1)-для динамических отношений.

На этом основании определены формальные правила перехода от модели абстрактного уровня к модели объектного уровня (позиции (4),(5)) и от модели объектного уровня к модели конкретного уровня для универсального концептуального представления (позиция (6),(7)).

Концептуально« представление п-ой предметной задачи формально описывается следующим образом: КР(п) = (КР2(п),КРЗ(п)), где КР2(п) -концептуальная модель п-ой предметной задачи на объектном уровне; ХРЗ(п) = (КРЗ(пт)}, где КРЪ(пт) - концептуальная модель конкретного уровня для т-ой реализации п-ой предметной задачи.

Особенностью концептуального представления предметных задач является фиксация в качестве элементов динамических отношений предметных зависимостей на объектном и экземпляров предметных зависимостей на конкретном уровнях. Состав описания моделей для предметной задачи приведен в таблице 2.

Соотношения между категориями и ограничениями имеют вид (по рис.3):

у«,{1,ии)-(а^,...,а^)и&0а(п) -отношения между предметными

зависимостями и предметными категориями для объектного уровня, где Qa{n) - отражают особые соотношения структурных и контекстуальных предметных категорий и индекс и: q<Lj (позиция (8)).

Ри(и,и,з)=1(.Ь£.,Ь^)и&.Нш{пт) - отношения между экземплярами типов зависимостей и экземплярами предметных категорий для конкретного уровня, где Нш(пт) - отражают особые соотношения экземпляров структурных и контекстуальных экземпляров предметных категорий и индекс и: q<Lj (позиция (9)).

Ограничения на концептуальную модель объектного уровня имеют вид (позиция (12)):

А(п) с А, Т2(п) с Т2, Н2{п) с Я2, Н2(п) с Н2, Ш(п) с 7Й2,

т.е. концептуальные структуры п-ой предметной задачи являются подструктурами универсальной концептуальной модели объектного уровня.

Ограничения на концептуальную модель конкретного уровня имеет вид (позиция (14)):

В(пт) с В, ТЦпт) <= ГЗ, Я3(и/я) с Н2, Н3(пт) с ЯЗ, 1ЪЗ(пт) с 77/3, т.е. концептуальные структуры ш-ой реализации п-ой предметной задачи являются подструктурами универсальной концептуальной модели конкретного уровня.

Табл.2. Состав моделей концептуального представления предметной задачи

Объектный уровень Конкретный уровень

Mi(n): Предметные категории (ПК): Экземпляры предметных категорий (ЭПК): В(пт) = {Ь!)

Ti(n): Упорядочивание ПК-з Состав ПК-д Компоновка ПК-} 72(10-{(«,.«,.)} Упорядочивание ЭПК-к Состав ЭПК-к Компоновка ЭПК-к 73(1»»)={Ф:,ЬГ))

Hi(n): Контекстуальная ПК^ Структурная ПК^+1 Монадическая ПК-]+2 Я2(») = {(а„а„,а„)} Контекстуальная ЭПК-к Структурная ЭПК-к+1 Мопадическая ЭПК-к+2 НХпт) = {{Ь<,ЬГ,Ъ*)}

Hi(n): схемы ПК : Я2(и) = } схемы ЭПК: Я3(/ш) =

Thi(n): Упорядочивание схемы ПК-п Состав схемы ПК-п Компоновка схемы ПК-п Ш(и) = {(№)} Упорядочивание схемы ЭПК-т Состав схемы ЭПК-т Компоновка схемы ЭПК-т

Vi(n): Предметные зависимости (ПЗ) Экземпляры предметных зависимостей (ЭПЗ):Р(ит) ={/>„}

FVi(n): Упорядочивание ПЗ -а Состав ПЗ-8 Компоновка ПЗ-а ^2(10= {<*.,",)} Упорядочивание ЭПЗ-1 Состав ЭПЗ -1 Компоновка ЭПЗ-1 Л/3(«7И) ={(/>„ А,)}

Для динамических отношений ограничением является только соотнесение предметных зависимостей с определенными типами зависимостей на объектном уровне и экземпляров предметных зависимостей с экземплярами зависимостей определенного типа на конкретном уровне, что формально выражается: vrt(i,t,ti) е wjt (поз. (13)) и pri(i,t,u,s)ep' (поз. (15)).

Взаимосвязь моделей представлена также по-компонентно: КР2(п) КРЗ(пт):

А(п) -> В(пт% ТИ2(п) -> ТНЗ(пт):

T2(n) -> TXnm),H2(n) H3(nm),H2{ri) Я3(«от), 7Й2(») ТНЗЦюп) F2{n)-*F\nm)-. Щп)->Р(пт), FV2(ti)-> FV3nm)

При этом формальным основанием взаимосвязи служат следующие зависимости:

ОТ\пт) = 04(л)В(л7л) >< вТ2(п) вА(п)В(пт) ,

(ПЩпт) = вН2(п)НЗ(пт) СШ(л) >< вН2(п)НЗ(пт) для статических отношений,

ОЁГЗ(ггт) = ОГ(п)Р(пт) >< ШУ2{п) >< в1Г(п)Р(пт) для динамических отношений.

Определены формальные правила перехода от модели объектного уровня к модели конкретного уровня для концептуального представления предметных задач (позиции (10),(11)).

Интеграция концептуальных представлений предметных задач предполагает последовательное объединение составляющих моделей на каждом уровне абстрагирования.

Для объектного уровня интеграция формально представлена следующим образом:

Л = иА(п% Г20 = иГС(и>, Я20 = иН2(п), Н2,=[]Н2(пУ,

ЛЯП л

7Ъ20 ={]1Ъ2{п)- /^20=и/=У2(«).

ЯП п

Для конкретного уровня интеграция представляется:

П^М

Я30 = \}НХпт)\ =1}ТИЗ(пту, Р,={)Р(птУ, РУЪа

Я|Л1 ПМ

Разработка метода »теологического моделирозаннз как основы представления проектно-конструкторских задач, инвариантного к программно-техническим средствам реализации автоматизированных систем заключалась: в выявлении оснований; в определении структуры и состава инфологических представлений; в выявлении закономерностей формирования инфологических моделей и их интеграции.

В качестве теоретических и практических оснований выделены реляционная модель Кодда, методология Чена, теория баз данных, теория нормализации, теоретические основы логического программирования, опыт создания и эксплуатации баз данных и баз знаний.

Инфологическое моделирование в соответствии с методологией промышленного создания САПР также осуществляется на трех уровнях абстрагирования: -абстрактном, обеспечивающем общее представление вербальных знаковых систем; -объектном, обеспечивающем представление специфики знаковых систем предметных областей путем их именования; -конкретном, фиксирующем множество конкретных фактов, событий, явлений реального мира в процессе решения прикладных задач в вербальной знаковой форме.

Под ИЛМ любого уровня будем понимать: - множество элементов (структурных единиц модели); - множество статических отношений; -

множество динамических отношений (ограничении); -множество операций или манипуляций.

Представление инфологических моделей включает в себя две части: универсальное инфологическое представление и инфологическое представления предметных задач. Универсальное инфологическое представление определяет общее строение вербальных знаковых конструкций на разных уровнях абстрагирования, а инфологические представления предметных задач определяют строение этих конструкций для конкретных предметных областей. Исходя из такого представления инфологических моделей структура их формального описания имеет вид, приведенный на рис. 9 . При этом универсальное инфологическое представление включает инфологические модели всех трех уровней абстрагирования, связанные между собой по-компонентно (по статическим - ИЛ Mi Л, динамическим -HJIMi.2 и функциональным - HJIMi.3 составляющим), а инфологическое представление предметных задач включает инфологические «одели только объектного и конкретного уровней абстрагирования, также связанные покомпонентно (по статическим - MJlMi.l-n/nm, динамическим - ИЛМь2-п/пт и функциональным - ИЛМьЗ-пУт составляющим). Расслоение знакового представления прикладных задач по уровням абстрагирования предопределяет возможность его интеграции на объектном и конкретном уровнях.

Универсальное инфологическое представление : JLJJ = {1L\,E2,IL3).

Формальное описание инфологической модели на i-том уровне абстрагирования имеет вид: ILMi = (Li,DEi,Qi,Xi) , где Li = {/„} - множество структурных единиц i-ro уровня, DEi -множество статических отношений на структурных единицах, Qi -множество динамических отношений на структурных единицах, Xi- множество функциональных отношений на структурных единицах.

DEi = (Di,Ei,Ei,Dei) , где Dic.IAy.Li - множество бинарных отношений на Li, Ei<z Li х Li х Li -множество тернарных отношений на Li, Ei - {el) - множество схем структурных единиц, DeiezEixEi- множество бинарных отношений на Ei.

Qi = (Si,QSi), где Si = {■£}- множество информационных доступов к структурным единицам, QSi с: Six Si - множество бинарных отношений на Si.

Xi = (Xi,QXt) , где Хг = {х1п}- множество манипуляций, QXi <zXix Xi -

множество бинарных отношений на Ei.

Состав формального описания моделей приведен в таблице 3. Множество структурных единиц сформировано в результате исследования особенностей знаковых представлений в теории и практике моделирования информации и знаний и включает зри типа структурных единиц:

- ИНФОРМАЦИОННЫЙ МОДУЛЬ (ИМ), -ИНФОРМАЦИОННАЯ СУЩНОСТЬ (ИС),

- ИНФОРМАЦИОННЫЙ АТРИБУТ (ИА).

Рис.9. Структура «рориального описания ккфолошчоских прадстсолгий.

Табл.3 . Состав моделей универсального инфологического представления.

Абстрактный уровень Объектный уровень Конкретный уровень

1л: Классы структурных единиц (КСЕ) Имена структурных единиц (ИСЕ) С={<} Состояния структурных единиц (ССЕ)

ЕХ: Упорядочивание КСЕ^ Состав КСЕ-] Компоновка КСЕ^ £>1 = {(^)} УпорядочиваниеИСЕ-п Состав ИСЕ-п Компоновка ИСЕ-п Упорядочивание ССЕ-т Состав ССЕ-т Компоновка ССЕ-т 1)3=цк?.кГ)}

И: Информационный модуль КСЕ^ Информационная сущность КСЕ-д Информационный атрибут КСЕ-з £1 = {(//\/у;)} Информационный модуль ИСЕ -п Информационная сущность ИСЕ-п Информационный атрибут ИСЕ-п Е2 = {(<$,с%,сгы)} Информационный модуль ССЕ -т Информационная сущность ССЕ-т Информационный атрибут ССЕ-т £3= {(к?,к«",к?)}

Ек Схемы КСЕ Схемы ИСЕ Схемы ССЕ Ё3=

Ш: Упорядочивание схем КСЕ-] Состав схемы КСЕ-] Компоновка схемы КСЕ-] Бе 1 =«£.£)> Упорядочивание схем ИСЕ-п Состав схемы ИСЕ-п Компоновка схемы ИСЕ-п Бе2= {(<£,,<*)} Упорядочивание схем ССЕ-т Состав схемы ССЕ-т Компоновка схемы ССЕ-т ПеЗ= {(<£,*,

Эк Классы информационных доступов : 51 = } Типы доступов: Экземпляры типов доступов: О = }

Упорядочившие КИД ^ Состав КИД ^ Компоновка КИД 651 = {(^ Упорядочивание ТИД-п Состав ТИД -п Компоновка ТИД -п (352= {(г,,^)} Упорядочивание ЭТИД -т Состав ЭТИД-гп Компоновка ЭТИД -т <2*53= {(аГ,&м)}

И: Классы манипуляций -КМ Х\={х]} Типы манипуляций -ТМ Х2={хЦ Экземпляры типов манипу ляций ЭТМ: ХЗ = {х1}

<2?й: Упорядочивание КМ Состав КМ Компоновка КМ ох 1=«*;,*:)} Упорядочивание ТМ -п Состав ТМ -п Компоновка ТМ -п 0X2= {(х},х1)} Упорядочивание ЭТМ-т Состав ЭТМ -т Компоновка ЭТМ -т 0ХЗ={(*1„х1ы)}

Соотношения между структурными единицами и доступами имеют вид (по рис. 9):

^ =(/;,/;)&(/;,/;) - отношения между классами информационных доступов и классами структурных единиц на абстрактном уровне (позиц. (1)); г]п = (стп,с[г.....сгц)&А^ - отношения между типами информационных

доступов и именами структурных единиц , где /= Л^ =|С*| и А}п - условие,

определяющее особые связи между именованными структурными единицами на объектном уровне(позиция (3));

= В/ш} - отношения между экземплярами типов

информационных доступов и состояниями структурных единиц, где l~Nl и В]т - условие, определяющее особые связи между состояниями структурными единицами на конкретном уровне (позиция (5)).

Соотношения между структурными единицами и манипуляциями имеют вид (по рис.9):

х) = ^ (0'к, ^ )& , Гк)) - отношения между классами манипуляций и классами структурных единиц на абстрактном уровне (позиция (2));

х1> -^Л(сн'сп.....• отношения между типами манипуляций и

именами структурных единиц, где / = Л^ =\С[\ и А^ - условие, определяющее

особые связи между именованными структурными единицами на объектном уровне (позиция (4));

х]^ « - отношения между экземплярами типов

манипуляций и состояниями структурных единиц, где / = и В^ - условие,

определяющее особые связи между состояниями структурными единицами на конкретном уровне (позиция (6)).

Инфологическая модель любого уровня есть совокупность трех видов отношений- статических, динамических и функциональных, то соответственно выявлены закономерности: формирования инфологнческих структур на элементах и схемах элементов, формирования систем доступов и формирования систем манипуляции. Каждая закономерность охватывает процесс порождения структур на каждом уровне абстрагирования и увязку структур в единое целое. Общая схема всех закономерностей такая же, как в концептуальном моделировании. Закономерности формирования статических отношений включают формирование бинарных и тернарных связей между структурными единицами (рис.10) и бинарных связей между схемами структурных единиц (рис. 11). Результатом процесса является фиксация бинарных связей вида "состав", "упорядочивание", "компоновка" для определенной пары структурных единиц и пары схем структурных единиц. В процессе формирования бинарных связей между структурными единицами на каждом уровне абстрагирования выявлено повторение применения абстракции, что позволило сформулировать вновь закон цикличности вербальных знаковых представлений: область допустимых значений структурной единицы типа "информационный атрибут" одного уровня сложности вербального описания может быть представлена (раскрыта) как структурная единица типа "информационный модуль" другого менее сложного уровня вербального описания. Формирование тернарных связей базируется на наличии бинарных связей между структурными единицами триады, образованной структурными единицами типа ИМ-ИС-ИА. Результатом формирования статических отношений является мифологические структуры, которые отражают многоуровневую по

класс СЕ- "Инф. модуль" I ] *-^ кыя СЕ-'Инф. модуль" с [ )

обобщение уточнение

класс СЕ-'Инф. суцуюстъ" |4 *-►{мия СЕ-"Инф. сущность" с

■грепщия ' декомпозиция

класс СЕ-'Инф. атрибут- |г •-< имя СЕ-"Инф. атрибут" с ^ >

Абстрактный уровень •-► ОбъсстныЯ уровень

уточнение

иия СЕ-"Инф. модуль" с \ *-► { состояние СЕ-"Инф. модуль" k f } '

( уточнение обобщение

V "МЯ СЕ-"Инф. сущность" С J»-ц состояние СЕ-"Инф. сущность" к f 1

f деномжшцкя вгрегация Чимя СЕ-'Инф. атрибут" с ^ •-► { состояние СЕ-"Инф. атрибут" к ?

Объектный уровень •-► Конкретный уровень

уточнение

Рис. 10. Зшономерность формирования бинарных связей между структурными

единицами«!.

_1 2

(► схема классов СЕ-'ИМ-ИСяч •-► { схема имен. СЕ -"ИМ-ИС" е м }.

агрегация декомпозиция

.»схема кпгссооСЕ-"ИМ-ИС"Оу •-► {схема имен. СЕ-"ИМ-ИС" е^, }

( »грегация декомпозиция

Ч схема классов СЕ-"ИМ-ИС" о1 •-► { схема имен. СЕ -"ИМ-ИС" е ^}

vit

Абстрактный уровень •--► Объектный уровень

уточнение

схема имен. СЕ -"ИМ-ИС" е «я .-«{схема состояний СЕ-"ИМ-ИС" е •

декомпозиция агрегация

схема имен. СЕ -"ИМ-ИС" о^ •-»{схема состояний СЕ-"ИМ-ИС" е

декомпозиция агрегация схема имен. СЕ -"ИМ-ИС" е -»{схема состояний СЕ-*ИМ-ИС" в ^ ]

Объектный уровень «-► Конкретный уровень

уточнение

Рис.11. Закономерность формирования бинарных связей между схемами структурных единиц.

сложности организацию вербальных знаковых конструкций и их вложенное "масштабирование" на каждом уровне абстрагирования.

Теоретическим обоснованием системы ограничений и системы манипуляций является понятие "ограничение целостности" и формальное манипулирование отношениями, обеспечивающее доступ к информационным элементам в теории и практике реляционных баз данных. Формирование систем доступов и систем манипуляций подчинено также закономерностям, приведенным на рис.12 и рис.13 соответственно, где любой доступ отражает динамические отношения структурных единиц типа ИА в структурных единицах типа ИС, а любая манипуляция отражает функциональные отношения структурных единиц типа ИА в структурных единицах типа ИС.

Поскольку переход от абстрактного уровня (от общего) к конкретному (к частному) основан на анализе, то для каждой пары моделей их взаимосвязь определяется абстракцией "уточнение" по каждой составляющей модели. Схематично это можно представить: ШЛИ -»11М(1 + 1), ¿ = 1,2 , т.е.: I/-»!(/ +1) ЮЕ1-+ОЕ0 +1):

О! IX Ш-*Е(1-1-1Х В+1), Ш-»/)е(< + 1) 0/-> 0(1 + I): 0Я-»QS(j +1)

Хг ХО +1): Ъ->ХЦ + 1), 0Х1->дХ(1 +1)

Формальное обоснование взаимосвязей моделей разных уровней обеспечивает аппарат реляционной алгебры: построение допустимых структур обеспечивается применением операции "естественного соединения" к отношениям, представляющим уточнение элементов и заданную бинарную структуру более высокого уровня абстрагирования: ШХГ+Т) = Ы&(г +1) >< СО* >< вШО +1)

СЮе(Г+1) = вЕгЕУ +1)>< СОй > < йЕЩг +1) -для статических отношений, С05(ГП) = 05ь5(г +1) >< СфМ >< + 1)-для динамических отношений, ОдХ{г +1) = вЪху +1) >< > <1 вЛХ(г +1) - для функциональных отношений.

На этом основании сформулированы формальные правила перехода от модели абстрактного уровня к модели объектного уровня (позиции (7),(9), (11)) и от модели объектного уровня к модели конкретного уровня для универсального инфологического представления (позиции (8),(10),(12)).

Инфологическое представление п-ок предметной задачи формально описывается следующим образом: ИР(п) = (&Р2(п), ЖРЗ(п)), где ИР2(п)-инфологическая модель п-ой предметной задачи на объектном уровне;

- 1ЬРЗ(п) = {К,РЗ(пт)}, где КРЗ(пт)- инфологическая модель конкретного уровня т-ой реализации п-ой предметной задачи.

Особенностью инфологического представления предметных задач является фиксация в качестве элементов динамических и функциональных отношений соответственно предметных доступов и предметных манипуляций на объектном и экземпляров предметных доступов и экземпляров предметных манипуляций на конкретном уровнях.

- класс инф. доступа »i »-агрегация

> класс инф. доступа tj

arpera ция ' класс инф. доступа 8|<

> {тип инф. доступа г,} декомпозиция

{тип инф. доступа г^ ]

Лаком позиция -> {тип инф. доступа гь

Абстрактный уровень

Объектный урсеэнь

-тип инф. доступа г,«

декомпозиция ►тип инф. доступа г^«

декомпозиция

►тип инф. доступа rta« Объектный уровень •

уточнение

►{яаеыпляр типа инф. доступа оь}, агрегация

уточнение

-»{мзеипляр типа кнф. доступа д^' агрегация

-» {экземпляр типа инф. доступа ц^} Конкретный уровень

Рис. 12. Закономерность формирования бинарных соязей к©еду информационными доступами.

С класс манипуляции х агрегация

класс манипуляции х

( агрегация

класс манипуляции х

Абстрактный уровень

уточнение

-*■ {тип ианипуляциих ,} декой позиция

2

{тип ианипуляции х ^ )«

декомпозиция

{тип манипуляции х £} Объектный уровень

*тип манипуляции х ,*-

декомпозиция . тип манипуляции xj^

декомпозиция »тип манипуляции х

-*■ {экземпляр типа манипуляции хм] агрегация {экземпляр типа манипуляции

агрегация

-».{экземпляр типа манипуляции х^}-

Объекгный уровень •-уточнение * Конкретный уровень

Рис. 13. Закономерность формирования бинарных связей мсседу манипуляциями.

Соотношения между структурными единицами и предметными доступами имеют вид (по рис. 9):

г„ =(сги,с'п.....сгн)и&Ам{п) - отношения между предметными доступами

и именами структурных единиц, где и :l<Nk =|С£(и)| и Аа(п) - условие,

определяющее особые связи между именованными структурными единицами на объектном уровне(позиция (13));

8? ~ • отношения между экземплярами

предметных доступов и состояниями структурных единиц, где u.l<Nk и BJnu(nm)- условие, определяющее особые связи между состояниями структурными единицами на конкретном уровне (позиция (15)).

Соотношения между структурными единицами и манипуляциями имеют вид (по рис.9):

xj* =^/»(Ccti 'с1г>-">са)и&Ар,(пУ) - отношения между предметными манипуляциями и именами структурных единиц, где vr.l<Nt =\С^(п)\ и А/Я(п) - условие, определяющее особые связи между именованными структурными единицами на объектном уровне (позиция (14));

x1Jnj = F/nj((k?1,k*i,...,k?')u&Bpil(nmy) • отношения между экземплярами предметных манипуляций и состояниями структурных единиц, где u.l< Nt и В]ЛМ (пт) - условие, определяющее особые связи между состояниями

структурными единицами на конкретном уровне (позиция (16)).

Ограничения на инфологическую модель объектного уровня имеют вид (позиция (20)):

С(л) с C,D2(n) с D2,E2(n) с Е2,Ё2(п) с: E2,D<£(n) с Del, т.е. инфологические структуры n-ой предметной задачи являются подструктурами универсальной инфологической модели объектного уровня.

Ограничения на инфологическую модель конкретного уровня имеют вид (позиция (21)):

К(пт) с К, D3(nm) с D3, Е3(пт) с= Е2, ЁЪ(пт) <= ЁЗ, De3(nm) <z De3, т.е. инфологические структуры m-ой реализации n-ой предметной задачи являются подструктурами универсальной инфологической модели конкретного уровня.

Для динамических отношений ограничением является только соотнесение предметных доступов с определенными типами информационных доступов на объектном уровне и экземпляров предметных доступов с экземплярами информационных доступов определенного типа на конкретном уровне, что формально выражается соотношениями: гг(/,/,м) eri(

(позиция (22)) и grf (i, 1, и, s) е g? (позиция (23)).

Для функциональных отношений ограничением является только соотнесение предметных манипуляций с определенными типами манипуляций на объектном уровне и экземпляров предметных манипуляций

с экземплярами манипуляций определенного тала на конкретном уровне, что формально выражается соотношениями: х*(i, t, и) ехги (позиция (24)) и Х3И (i,t, и, s) exl (позиция (25)).

Взаимосвязь моделей представлена также по-компонентно: ILP2(n)-> ILP3(nm):

С(п)->К(пт\ DE2(n)->DE3(nm):

D2(n) -> т(пт\Е2(п)-+ЕХппг\ £2(и)-> £3(im), De2(n) De3{nm) Q2(n) Q3(nm): R(n) G(wwi), QS2(«) -> QS3(nm) X2(n) X3(rmt): ХЗ(и) J3(nw), <?X2(«) 0УЗ(ии») При эхом формальным основанием взаимосвязей служат следующие зависимости:

GD3(nm) = GC(n)K(nm) >< GD2{n)>< GC(n)K(nm) и GDeXnm) = GE2{nß3{nm)>< GDe2(n) >< GE2(jiß3(nm) - для статических отношений,

GQSb{nin) = GR(n)G(nm)>< GQS2(n) ><з GR(n)G{nm) - для

динамических отношений,

GQXXnm) = GX2(n)X3{nm)>< GQX2(n)t>< GX2(n)X3(nm) - для функциональных отношений.

Сформулированы формальные правила перехода от модели объектного уровня к модели конкретного уровня для мифологического представления предметных задач (позиции (17), (18), (19)).

Интеграция мифологических представлений предметных задач предполагает последовательное объединение составляющих моделей на каждом уровне абстрагирования.

Для объектного уровня интеграция формально представлена следующим образом:

С0 =UC(»X D20=\jD2(nX E20=\jE2(nl £20=(J^2(л); Del, =\jDe2(n)-,

п п л п я

QS20=\jQS2(n\-, Х20=и*2(и), QX20 = \jQX2(n).

ЯК « Я

Для конкретного уровня интеграция представляется: Кй=\)К(пту, £>30 = \jD3(nm)-, Е\ = {jE\nm)-, £30 = |j£3(ran);

n/n Hjn л/л я^н

De\={jDeXnm)- G0=|jG(«m); QS\ = (Jß^nw), Х\ = [)ХЪ{птУ,

njn ttj* Л/Л

QX3B=\jQXXnm)

Разработка метода отображения концептуальных представлений в инфологическне для автоматизируемых проектно-конструкторских задач

заключалась: в выявлении оснований; в определении структуры отображения; обосновании закономерности отображения.

Основаниями для формулирования закономерности отображения моделей являются следующие положения:- единый механизм порождения моделей; - единая структура закономерностей порождения моделей; -наличие законов цикличности.

Закономерность отображения концептуальных моделей в инфологическне модели заключается в идентичности применения абстракций в процессе порождения (формирования) связей для статических, динамических и функциональных составляющих моделей одного и того же уровня абстрагирования одного и того же вида представлений.

Отображение моделей универсальных представлений на каждом уровне абстрагирования выполняется по компонентам модели (рис. 14): П ПМ1: М1-*1Л, ЛИ -> йЕг.

#/-►£>', т->Ъ, ТЫ Пег

В основе формального обоснования взаимосвязей концептуальных и мифологических моделей универсального представления также лежит аппарат реляционной алгебры:

<зШ=вмт х вп >< сшл и

ООе/ = йШЕ! >< ОЫ \xGHiEi - для статических отношений, =I >< йШг - для динамических отношений,

С?£Ш = GViXi >< х вГШ - для функциональных отношений. На основе этого сформулированы правила перехода от концептуальных моделей к инфологическим моделям для универсального представления на трех уровнях абстрагирования.

Отображение моделей для представлений предметных задач на каждом уровне абстрагирования выполняется аналогично : КРЦп) -> 1ЬР1(п) : М(п) -» Щп), ПЩп) ПЕЦп):

П(п) -> Ш(п\ Ш(п) -> Ег(п% Щп) -> Ш(п\ 7Ы(п) -> £<?/(») /■/(и)->0/(я): Иг(л)-»5/(га), /Г/(л)->0Я(я) И(п)->Х1(п): И{п)-+Щп), т{п)->ОХЦп) Аналогично обоснованы взаимосвязи концептуальных и мифологических моделей представления для предметных задач: Ш)1(п) = ШЦп)Щп) >< СЩп) >< ОМ/(п)11(в) и СО«'(л) = вШ(п)Щп) >< ОЫ(п) >< ОЩп)Щп) - для статических отношений,

КМ3.1

Г.

! КМ3.1-ПШ

| КМ3.2

ИЯМ3.1

-=ц'ЙЛМЭ.Т-птТ'

Рис.14. Структура отображения концегпуальных представлений в мифологические представления.

-«| илм3.2 |—

I,

I ИЛМ3.2-пт

-ч.

тайШШЗа ИЛМЗ.З

-г-р--------

ИЛМЗ.З-пт 1

в()51(п) = ОЩпЩп) >< вт(п) >< ОП(п)ЯЦп) - для динамических отношений,

вдх^п) = вЩпУЩп)><вт(п)>«<3«(и)Л7(и) - для функциональных отношений.

На основе этого сформулированы правила перехода от концептуальных моделей к мифологическим моделям для представления предметных задач на двух уровнях абстрагирования.

Формальное описание концептуальных и инфологических представлений позволяет учесть и систематизировать все возможные соотношения и связи между элементами и компонентами как одной модели, так и моделей разных уровней абстрагирования каждого представления, что является основой для последующего методического их выявления и описания при моделировании проектно-конструкторских задач. Закономерности формирования концептуальных и инфологических моделей, выявленные в ходе исследований на базе фундаментальных теоретических положений, отражают регулярность в организации системы знаний и знаковых конструкций, что позволяет сформулировать методические приемы при объективировании системы знаний и формально-языковом моделировании проектно-конструкторских задач. Формальное описание концептуального и инфологического представлений предметных задач обеспечивает как систематизацию и описание моделей отдельных проектно-конструкторских задач, так и последующую интеграцию этих представлений в единое целое для комплекса взаимосвязанных задач с учетом множества формальных ограничений, накладываемых универсальными представлениями, что является также принципиальным отличием от существующих подходов.

Формальное описание взаимосвязей семантических (концептуальных) и синтаксических (инфологических) представлений на основе закономерности отображения позволяет: - ограничить множество возможных соотношений и связей в вербальном знаковом представлении (универсальном и для предметной задачи), - обеспечить полноту формализованного знакового представления предметной задачи за счет его семантического дополнения.

ГЛАВА 4. Исследование н рекомендации по даталогггчсскс:.!? люделкревгнию как основы представления предметных задач, ориентированного на выбранные средства реализации автоматизированных систем.

В главе приведены результаты исследования проблематики даталогического моделирования. Данные исследования обусловлены необходимостью адаптации инфологических моделей проектно-- конструкторских задач, представленных в виде многоуровневых информационных структур и алгоритмов на них, к существующим программно-техническим средам, средствам и технологиям реализации автоматизированных систем.

Результаты исследований позволили характеризовать многообразие современных технологий реализации автоматизированных систем на основе трех существенных факторов: - вид организации модельного

представления (логический, физический); -вид организации автоматизированной системы (централизованная, распределенная); -виды компонентов программного продукта (информационный, доступа, обработки, интерфейса) и также сформулировать требования к даталогическим моделям проектно-конструкторских задач.

Разработка рекомендаций по даталогическому моделированию, как основы представления проектно-конструкторских задач, ориентированного на выбранные программно-технические средства реализации, включает: -обоснование структуры и состава даталогических представлений; -выявление особенностей их формирования и интеграции.

Даталогическое представление для п-ой предметной задачи можно формально описать следующим образом:

£)1Р(и) = (ОЛР2(и),/>1РЗ(и)), где £)1Р2(и)- даталогическая модель п-ой предметной задачи на объектном уровне;

Д1РЗ(п)= (ЖРЗОш)}, где БЬРЗ(пт) • даталогическая модель конкретного уровня ш-ой реализации п-ой предметной задачи.

Даталогическая модель любого уровня для п-ой предметной задачи:

Д1Р|(и) = (№(я),Л(и),СЛ(и),}7(и)Д1(и)Х где каждая составляющая отражает множество структурных элементов Щп), множество статических отношений Л(п), множество динамических отношений Щп) и множество функциональных отношений Г/(и) на структурных элементах и множество виртуальных отношений Н(п), отражающих варианты визуализации доступа к данным (в виде форм и отчетов) и визуализации процессов обработки данных (в виде форм-меню).

Структура и состав даталогического представления проектно-конструкторских задач отражает логическую организацию автоматизируемой задачи на разных уровнях абстрагирования с учетом составляющих моделей - статической, динамической, функциональной и виртуальной, тем самым обеспечивая с определенной степенью точности его сопряжение с мифологическим представлением этих же задач.

ГЛАВА 5. Особенности разработанной методологии проектировании САПР машиностроительного назначения на основе промышленного способа ее создания.

Методология проектирования САПР машиностроительного назначения на основе промышленного способа ее создания включает: -процесс проектирования САПР машиностроительного назначения, состоящий из определенного набора этапов; -методики выполнения этапов; -средства представления исходной и результирующей информации каждого этапа. Место процесса проектирования и его структура при создании САПР приведены на рис. 15.

Проведение анализа традиционного процесса решения проектно-конструкторских задач, как этапа предпроектного обследования в организации, позволяет описать элементы ее основной деятельности: выявить структуру задач проектирования; выделить первоочередные задачи,

Процесс создания САПР

т

Предпроектное обсладоэанмо

Проектирование САПР

Подготовка реализации САПР

Реализация (изготовление) САПР

Концептуальное моделирозеняе

Инфолопмэсхое моделироеанив

12

Выбор и обоснование программно- технической среды и _средств реализации_

Д отологическое ' моделирование

Рте. 16. Структура процесса создания САПР.

Анализ традиционных процессов решения прошно-йонструкторсзмх задач

Анализ традиционных процессов решения

_Ко комплекса задач (КПЗ)_

-I - - 1

Определение места КПЗ в

шЯ

структуре, фиксация КПЗ

Классификация информации для КПЗ

Декомпозиция КПЗ на йргдуетнь» задачи (ПрЗ)

Аналкз всех ПрЗ комплекса

Все КПЗ?

Нет

J.

Да

Анализ л -ой ПрЗ

L

НИ

Конец анализа

Классификация Декомпозиция

информации —» предметной —»

для ПрЗ задачи

Описание элементарных Все ПрЗ?

действий задачи Нет Да

Рис. 16. Структура процесса анализа традиционных процессов решения прикладных задач

п=п+1

Конец анализа задачи

подлежащие автоматизации; определить их место в обшей структуре задач; выполнить разложение (декомпозицию) выделенной задачи на подзадачи и классифицировать и систематизировать информацию для выделенной задачи в целом и каждой составляющей подзадачи (рис.16). Исходной информацией для выполнения данного этапа является информация, полученная от экспертов предметной области (конструкторов и технологов) и документальных источников обследуемой организации.

Особенностью процесса разложения задач является применение единых принципов и правил декомпозиции, основанных на применении базовых и типовых алгоритмических конструкций вида: последовательность, альтернатива, итерации, переключатель, цикл.

Результаты данного этапа оформляются в виде специальных структурных диаграмм и в виде спецификации, отражающих описание диаграмм и используемой в задачах информации.

Конпедггальвое моделирование проеттю-конструстозкких задач позволяет объективировать (выявлять) систему знаний вьщеленной предметной области и зафиксировать ее в определенной форме.

Процесс концептуального моделирования, структура которого представлена на рис. 17 включает следующие подэтапы: - формирование начальной модели (под комплекс предметных задач); - формирование модели текущей предметной задачи; • анализ модели текущей задачи; -дополнительная обработка модели текущей задачи; - синтез модели текущей задачи с обобщенной (начальной) моделью.

Исходной информацией для концептуального моделирования предметных задач являются результаты предыдущего этапа: - диаграммы и спецификации декомпозиции комплекса предметных задач и каждой предметной задачи комплекса; - классификация информации для комплекса в целом и дня каждой задачи; - описание элементарных действий (для каждой задачи).

На этапе формирования концептуальных моделей (обобщенной и текущей) выполняется последовательно формирование концептуальных структур, формирование систем предметных зависимостей и формирование модели в целом. На этапе анализа концептуальных моделей выполняется проверка структур и модели на полноту и связность, анализ правильности их описания, наличие в них противоречий и т.д., по результатам анализа вырабатываются рекомендации по коррекции модели. При отсутствии ошибок данная версия модели является окончательной и подлежит дальнейшей обработке. На этапе дополнительной обработки модели выполняются процедуры определения типологии дня каждой элементарной зависимости и расслоения модели на две части: под постоянную и проектную информацию. На этапе синтеза выполняется интеграция или объединение обобщенной и текущей моделей как по виду информации (постоянная, проектная), так и по компонентам модели (предметным категориям, их структурам, предметным зависимостям и их структурам).

Результатом выполнения этапа концептуального моделирования являются: а) концептуальные модели комплекса предметных задач под

Концептуальное моделирование проектно-конструггорских задач

д-го комплекса предметных задач

Фиксация комплекса предметных задач

Формирование начальной обобщенной модели

Т

Концелтуальнов моделирование предметных задач

Все комплексы предметных задач?

нет

да

4=4+1

Концептуальное моделирование (-ей предметной задачи ^

БьШоЯ"

фгйа

Фиксация предистноЯ гздочи

Формирования версий «одели '¡-ой предметной

гздача

Дополнительная обработка

Формирование |-ой еерсии модели к>й задачи

ИЗ-1

Формирования концептуальной модели

Анализ концептуальной) модели

Полна, связна модель?

П

Вывод рззульта тоз

на экран ив печать в фгйл

Вывод результатов

на кмн на печвть В Файл

Рис.17. Структура процесса концептуального моделирования проектно-конструкторских задач.

проектную н постоянную информацию; б) концептуальные модели каждой предметной задачи комплекса под проектную и постоянную информацию, которые оформлены в виде диаграмм и спецификаций.

Инфологическое моделирование проектно-конструкторских задач позволяет формировать их вербальное знаковое представление, независящее от программно-технических средств реализации автоматизированных систем, и зафиксировать его в определенной форме.

В условиях жестких требований к эффективности создания САПР процесс ее проектирования может быть реализован с учетом следующих стратегий: -последовательное проектирование: инфологическое моделирование выполняется строго после завершения концептуального моделирования всего комплекса проектно-конструкторских задач; -со-параллельное проектирование: инфологическое моделирование отдельных задач комплекса выполняется после их концептуального моделирования.

Процесс мифологического моделирования с учетом перечисленных стратегий включает следующие подэтапы: - формирование начальной модели ( под хомплекс задач); -формирование модели текущей задачи; - выделение модели текущей предметной задачи; - анализ модели текущей задачи; -синтез модели текущей задачи с обобщенной (начальной) моделью.

Исходной информацией для мифологического моделирования проектно-конструкторских задач являются результаты предыдущего этапа: -диаграммы и спецификации концептуальных моделей как для комплекса задач, тазе и для каждой предметной задачи с учетом их расслоения под постоянную и под проектную информацию.

На этапе формирования/выделения инфологических моделей (обобщенной и текущей) выполняется последовательно формирование мифологических структур, формирование систем предметных доступов и манипуляций и формирование модели в цепом. На этапе анализа мифологических моделей выполняется проверка структур и модели на полноту и связность, анализ правильности их описания, наличие в них противоречий и т.д., по результатам анализа вырабатываются рекомендации по коррекции модели. При отсутствия ошибок данная версия модели является окончательной и подлежит дальнейшей обработке. На этапе синтеза выполняется интеграция или объединение обобщенной и текущей моделей как по виду информации (постоянная, проектная), так и по компонентам модели (структурным единицам, их структурам, предметным доступам и манипуляциям и их структурам).

Результатом выполнения этапа инфологического моделирования являются инфологические модели комплекса задач под проектную и постоянную информацию и инфологические модели каждой предметной задачи комплекса под проектную и постоянную информацию, оформленные также в виде специальных диаграмм и спецификаций.

Разработка методических рекомендаций по даталогическому моделированию проектно-конструкторских задач и реализации системы автоматизации проектирования обусловлена необходимостью адаптации многоуровневых мифологических моделей задач к возможностям

существующих программно-технических сред и средств по организации вычислительной среды и информационно-вычислительного процесса. Существо адаптации инфологических моделей проехтно-конструкторских задач заключается в приведении многоуровневых структур к одноуровневым структурам (база данных, таблица, столбец), которые единственно допустимы в реальных средах и средствах, и корректировке вычислительного алгоритма с учетом измененных доступов к данным. Дополнительно формируемым компонентом даталогической модели является виртуальный компонент, отражающий представление данных и действий в форме, удобной для восприятия и работы конечного пользователя, в конкретной програынно-технической среде.

Рекомендации по реализации системы автоматизации проектирование базируются на существующих технологиях программирования структурной, объектно-ориентированной, визуальной - и включают рекомендации по организации вычислительной среды (размещение директорий, создание баз данных и таблиц хранения данных с учетом расслоения информации, наполнение таблиц для постоянной информации и их корректировке, организация вторичных индексов и форм ввода-вывода данных) и организации информационно-вычислительного процесса (разработка управляющих модулей и программ как элементов интерфейса и процедур обработки, реализующих проектно-консгрукторскне расчеты).

Применение перечисленных методик и рекомендаций к автоматизации задач проектирования коробок передач позволило:

- выявить единую семантическую основу в виде обобщенной и локальных концептуальных моделей задач данной предметной области и оценить степень их формализации;

- разработать единое синтаксическое представление в виде инфологических моделей этих задач, адекватное традиционному представлению (фиксируемому на естественном языке и в документальных источниках) и взаимоувязанное с их семантическим представлением;

- выполнять планирование реализации и собственно реализацию набора задач указанного комплекса в различных программно-технических средах и средствах с минимальными затратами (начиная от среды UNDC, СУБД Ingres и языка программирования Си до среды DOS и СУБД PARADOX 4.0);

- выполнять наращивание комплекса задач без дополнительных затрат на реструктуризацию данных и модификацию имеющихся автоматизированных процедур.

Разработка комплекса инструментальных средств поддержки методологии проектирования САПР машиностроительного назначения выполнялась на основе самой методологии автоматизации интеллектуального труда в соответствии с процессом, представленным на рис. 15. Методология проектирования САПР охватывает два этапа -концептуальное и инфологическое моделирование проектно-конструкторских задач, поэтому инструментальные средства ориентированы на поддержку процессов ведения и обработки спецификаций как наиболее

трудоемких по исполнению. Инструментальные средства предназначены для специалистов по представлению и обработке информации и знаний -инженеров-когнитологов (конструкторов автоматизированных систем).

Автоматизированная система_поддержки концептуального

моделирования (АСКОМ) предназначена для ввода, хранения, обработки и вывода спецификаций концептуальных моделей объектного уровня проектно-конструкторских задач при выполнении всех основных процедур и управления процессом концептуального моделирования. Управление обеспечивает рациональную организацию концептуального моделирования множества комплексов предметных задач с учетом категорий исполнителей, (менеджер системы, предметный когнитолог, системный когнитолог), временных и пространственных ( в памяти ЭВМ) отраничений.

Автоматизированная система_поддержки инфологичеосого

моделирования (DESILM) также предназначена для ввода, хранения, обработки и вывода спецификаций инфологических моделей объектного уровня проектно-конструкторских задач при выполнении всех основных процедур и управления процессом в целом.

Автоматизация процедур концептуального и инфологического моделирования выполнялась в соответствии с предложенной методологией проектирования и рекомендаций по реализации САПР, что позволило с минимальными затратами переходить от начальной реализации (указанных инструментальных систем) с помощью СУБД PARADOX 3.0 (для DOS), затем PARADOX 4.0 (для DOS) к реализации в среде PARADOX 5.0 ( для Windows),

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих подходов, методов и средств создания систем автоматизации проектирования машиностроительного назначения показал, что одной из актуальных проблем автоматизации проектно-конструкторской деятельности является повышение качества и эффективности их создания, эксплуатации и, особенно, развития. Решение этой проблемы возможно при переходе к промышленному способу создания САПР. Полученные результаты исследования существующих методов и средств создания прикладных автоматизированных систем различного назначения позволили предложить методологию автоматизации интеллектуального труда, существом которой является последовательное отображение модельных представлений прикладных задач, соответствующих этапам промышленного создания прикладных автоматизированных систем, на основе единого представления системы знаний этих задач на трех уровнях абстрагирования.

2. Выявленные особенности проектно-конструкторской деятельности позволили установить, что промышленное создание САПР машиностроительного назначения может быть обеспечено путем разработки методов их проектирования, учитывающих взаимосвязи содержательного (семантического) и знакового (синтаксического) моделирования проектно-конструкторских задач.

3. Разработан метод концептуального моделирования, который учитывает выявленную структуру и закономерности формирования

семантического представления проектно-конструкторских задач и увязывает универсальное концептуальное представление, отражающее общее строение и организацию системы знаний на трех уровнях абстрагирования, и концептуальное представление предметной задачи, отражающее особенности строения системы знаний проектно-конструкторской задачи на двух уровнях абстрагирования. Для предложенного метода концептуального моделирования разработано формальное описание состава концептуальных моделей каждого представления и формально обоснованы взаимосвязи компонентов модели и моделей разных уровней абстрагирования, ограничения и интеграция концептуальных представлений предметных задач.

4. Разработан метод инфологического моделирования, который учитывает выявленную структуру и закономерности формирования синтаксического представления проектно-конструкторских задач, и который также включает два представления - универсальное инфологическое представление, отражающее общее строение вербального знакового представления на трех уровнях абстрагирования, и инфологическое представление предметной задачи, отражающее особенности организации информационно-вычислительного процесса этих задач на двух уровнях абстрагирования. Для предложенного метода инфологического моделирования разработано формальное описание состава инфологических моделей каждого представления и формально обоснованы взаимосвязи компонентов модели и моделей разных уровней абстрагирования, ограничения и интеграция инфологических представлений предметных задач.

5. Разработан метод отображения концептуальных представлений в инфологические, позволяющий формировать взаимосвязанные семантические и синтаксические представления проектно-конструкторских задач на основе формального обоснования взаимосвязей компонентов моделей на каждом уровне абстрагирования для каждого вида представлений (универсального и предметных задач).

6. Установлен закон цикличности вербальных знаковых представлений с учетом данного состава и структуры инфологических представлений, который позволяет формировать многоуровневые икфермэдиенно-вычисгаггельные конструкции для отражения уровней сложности организации семантики предметных задач.

7. Разработана методика анализа традиционного решения проектно-конструкторских задач, позволяющая структурно описать процесс их решения, классифицировать и систематизировать используемую при решении информацию.

8. Разработана методика концептуального моделирования проектно-конструкторских задач, позволяющая формировать (фиксировать), анализировать, обрабатывать и интегрировать (синтезировать) систему знаний предметной области этих задач, а также проводить сравнительный анализ концептуальных представлений проектно-конструкторских задач, решаемых по разным методикам.

9. Разработана методика инфологического моделирования проектно-конструкторских задач, позволяющая формировать (фиксировать), анализировать и интегрировать (синтезировать) такие знаковые представления автоматизированной системы, которые инвариантны к программно-техническим средствам ее реализации и адекватны выявленной семантике проектно-конструкторских задач. Инфологическое моделирование проектно-конструкторских задач позволит также унифицировать инвариантное представление этих задач для сокращения времени перепрограммирования под другие программно-технические среды и средства, а также типовые информационные блоки (информационные структуры и алгоритмы) для нормативно-справочной информации.

10. Разработаны рекомендации по даталогическому моделированию проектно-конструкторских задач, обеспечивающих настройку на выбранные программно-технические средства реализации САПР.

11. Разработан комплекс программных средств поддержки методологии проектирования САПР машиностроительного назначения для автоматизированного формирования концептуальных и мифологических представлений предметных задач.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Волкова ГуЦ., Корягин C.B. Интерактивная система разработки информационного обеспечения в комплексах автоматизированного проектирования. /Тезисы докладов Всесоюзного науч. семинара "Интерактивные диалоговые системы в вычислительных комплексах и сетях ЭВМ" -М..МИФИ, 1986г., с.197-200.

2. Волкова Г.Д., Калинин В.В. Формирование моделей процессов проектирования на этапе предпроектных исследований при создании САПР объектов станкостроения. / Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Конструкторско-технологическая информатика в машиностроении"-М.,Мосстанкин,1987г.,7с.

3. Волкова Г.Д. Об одном подходе к разработке методологии автоматизации интеллектуального труда" / Материалы науч.-метод. конференции "Проблемы интеграции образования и науки"-М..ВНИИТЭМР, 1990г.,с. 171-172.

4. Волкова Г.Д., Крючкова С.Е. Методологические основания представления знаний в системах автоматизированного проектирования. / Сборник "современная философия и социальные проблемы техники" -М., ИНИОН, Депонир.рук№43056 от 18.07.1990г.

5. Волкова ГД. Об одном подходе к обеспечению принятия решений при автоматизации проектирования элементов конструкций станков. / Сборник "Повышение надежности функционирования гибких производственных систем конструкторскими и технологическими методами" -Хабаровск, ХПИ,1990г., с.36-39.

6. Волкова Г.Д., Крючкова С.Е. Гуманитаризация и проектная культура I Межвузовский сборник "Проблемы гуманитаризации высшего технического образования" -М.,Моссганкин, 1992г.,с.64-71.

7. Волкова Г.Д., Семячкова Е.Г. Применение методологии автоматизации интеллектуального труда к созданию САПР машиностроительного назначения. / Материалы Второй Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук"- М., МГТУ им. Баумана, 1994г., (в печати).

8. Y.M. Solomentsev, G.D. Volkova Methodology of the Creation of Machinery as a Basis of Presentation of Knowledge on the CAD-Systems. / Сборник докладов Международной конференции "Восток-Запад. Информационные технологии в проектировании. EWITD'94" -М., МЦНТИ, 1994г.,Т.1, с.7-9.

9. O.D. Volkova The Foundation of the Conceptual Modeling for Creation of CAD-Systems for Machinery. / Сборник докладов Международной конференции "Восток-Запад. Информационные технолопш в проектировании. EWITD'94" -М„ МЦНТИ, 1994г.,Т.1, с.157-162.

10. G.D. Volkova, S.I. Shavnov Application of the Comuter Aided Creative Design Methodology to IGH Developmeht. / Сборник докладов Международной конференции "Восток-Запад. Информационные технологии в проектировании. EWITD'94" -М„ МЦНТИ, 1994г.,Т.2, с.268-270.

11. Волкова ГД., Семячкова Е.Г. Основы инфологического моделирования при создании САПР машиностроительного назначения. / Сборник научных трудов Межвузовсжой научно- технической программы "Ресурсосберегающие технологии машиностроения"-М., МАМИ, 1994г., с.329-333.

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

13. Волкова ГД. "Концептуальное моделирование при создании САПР машиностроительного назначения". / Межотрасл. науч.-техн. сб. "Техника. Экономика." Сер. "Автоматизация проектирования".- М.: ВИМИ, 1994. Вып. 4. С. 6-15.

14. Волкова ГД., Семячкова Е.Г. Применение методологии автоматизации интеллектуального труда к созданию автоматизированных систем проектирования. / Межотрасл. науч.-техн. сб. "Техника. Экономика." Сер. "Автоматизация проектирования".- М.: ВИМИ, 1995. Вып.З- 4. с.48-55.

15. Соломенцев Ю.М., Волкова ГД., Принципы организации и структура информационных ресурсов высшего учебного заведения. Тезисы докладов Всероссийского совещания "Проблемы создания национальной академической системы баз данных и баз знаний"- Уфа, УГАТУ, 1995г., часть 1, с.13-14.

16. Соломенцев Ю.М., Волкова ГД. Проблемы развития конструкторско-технологической информатики / Труды Третьего Международного конгресса "Конструкторско-технологическая информатика" КТИ-96, -М„МГГУ "СТАНКИН", 1996г., с. 128-129.

17. Волкова Г Д. Основы взаимосвязей концептуальных и мифологических моделей при создании прикладных автоматизированных

систем. / Труды Третьего Международного конгресса "Конструкторско-технологическая информатика" КТИ-96, -М.,МГТУ "СТАНКИН", 1996г., с. 42-43.

18. Ушу M. Solomentsev, Galina D. Volkova Problems Of theDevelopment Of Design And Technological Mormation. / Сборник докладов Второй Международной конференции "Восток-Запад. Информационные технологии в проектировании. EWITD'96" -M., МЦНТИ, 199бг.,с.9-10.

19. Oalina D. Volkova The Infological Modelling For Création Of CadSystems For Machinery. / Сборник докладов Второй Международной конференции "Восток-Запад. Информационные технологии в проектировании. EWITD'96" -M., МЦНТИ, 1996г.,с.353-361.

20. Galina D. Volkova, Elena G. Semychkova CAD-system for Création of application automation System. / Сборник докладов Второй Международной конференции "Восток-Запад. Информационные технологии в проектировании. EWITDW -M., МЦНТИ, 1996г.,с.351-353.

21. Волкова ГД. Промышленное создание систем автоматизации проектной деятельности. / Тезисы докладов юбилейной международной конференции "Вопросы совершенствования технологических процессов механической обработки и сборки изделий машиностроения.- Тула, ТГУ,1996г. с.97-100.

22. Волкова Г.Д. Мифологическое моделирование при создании САПР машиностроительного назначения. / Сборник научных трудов "Проектирование технологических машин.- М., МГТУ "СТАНКИН", 1996г., вып.2, с.11-13.

23. Волкова Г.Д. Концепуальное моделирование при создании прикладных автоматизированных систем. / Сборник научных трудов Пятой национальной конференции с международным участием "Искусственный интегтект-96". КИИ-96 - Казань, Ассоциация искусственного интеллекта, 1996г., т.Ш, с. 440-446.

/

l/tt- _)