автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Средства автоматизации процесса принятия решений при проектировании и модернизации элементов сложных технических систем



и

и

к

/ л / /

/

Ивановский государственный энергетический университет

На правах рукописи УДК 681.3.06

Пышненко Елена Анатольевна

СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И МОДЕРНИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

(электротехника, энергетика)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Г. В. Попов

Научный консультант -кандидат технических наук доцент В.ПЗубков

Иваново -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...........................................................................................................5

Глава 1. Эволюция программных средств для реализации поддержки

процесса принятия решений.........................................................12

1.1. Задачи процесса принятия решений и основные способы их автоматизации....................................................................................12

1.2. Основные этапы развития СППР.......................................................18

1.3. Анализ архитектур программного обеспечения, применяемых

при создании СППР.............................................................................22

1.4. Применяемые методы обработки неопределённых, неполных

и противоречивых знаний в СППР ...............................................25

1.5. Постановка задачи исследования.......................................................29

Выводы по главе 1............................................................^.............................31

Глава 2. Элементы теорий и методов, использованных при разработке

СППР..............................................................................................32

2.1. Обоснование модели представления исследуемого объекта

и способа ее реализации........................................................................32

2.2. Постановка задачи принятия решений в условиях неопределенности ...............................................................................34

2.3. Формирование модели приближенных рассуждений на основе нечетких мер возможности и необходимости.....................................38

2.4. Разработка схемы логического вывода на неопределенных

высказываниях....................................................................................42

2.5. Операции над неопределенными высказываниями в ходе логического вывода.............................................................................44

Выводы по главе 2..........................................................................................47

Глава 3. Разработка способа поиска решения в пространстве состояний

с использованием сети....................................................................48

3.1. Постановка задачи поиска решения....................................................48

3.2. Анализ ситуаций принятия решения ЛПР и способов поиска решения.................................................................................................52

3.3. Формирование ДСПР для прямого и обратного направления поиска....................................................................................................55

3.3.1. Построение ДСПР в случае заданного ЛПР прямого направления поиска.................................................................... 56

3.3.2. Особенности построения ДСПР в случае выбора ЛПР обратного направления поиска.................................................59

3.4. Обход ДСПР без повторения маршрутов..............................................61

Выводы по главе 3............................................................................................66

Глава 4. Экспертная система, реализующая предлагаемый способ поиска

решений в пространстве состояний......................................................68

4.1. Описание структуры экспертной системы............................................68

4.2. Механизм вывода экспертной системы.................................................70

4.3. Консультация с экспертной системой...................................................74

4.4. Синтаксический анализ правил.............................................................77

4.5. Трассировка и объяснение вывода........................................................82

4.6. Содержание рабочей памяти..................................................................84

4.7. Группировка и вложение правил............................................................87

4.8. Алгоритм пересчета КО логического выражения в условии

правила...................................................................................................92

4.9. Сравнительный анализ разработанной экспертной системы и

аналогичных систем.............................................................................94

Выводы по главе 4..............................................................................................100

Глава 5. Автоматизация процесса принятия решений при расчетном

проектировании трансформаторов......................................................102

5.1. Проблемы автоматизированного проектирования трансформаторов..102

5.2. Анализ ситуаций принятия решений при расчете варианта и оптимизации трансформатора.............................................................................103

5.3. Организация процесса проектирования на основе экспертной

поддержки ...............................................................................................105

5.4. Алгоритм экспертной поддержки...................................................109

5.4.1.Удовлетворение ограничений на основе регулирования дискретных значений переменных..............................................109

5.4.2. "Тонкое" варьирование параметрами при расчете

варианта.......................................................................................112

5.4.3. Организация взаимодействия TP АН - ПК и экспертной системы........................................................................................114

5.5. Пример включения экспертной системы в расчетное проектирование..................................................................................115

5.6. Перспективы использования экспертной поддержки в САПР..........118

Выводы по главе 5..............................................................................................120

Глава 6. Технология проектирования СППР....................................................121

6.1. Построение схемы проектирования СППР............................................125

6.2. Формирование модели данных...............................................................137

Выводы по главе 6.............................................................................................144

Заключение.........................................................................................................146

Библиографический список использованной литературы..............................150

Приложения........................................................................................................161

Введение

Анализ опыта проектирования и эксплуатации объектов, являющихся элементами сложных технических систем, показывает, что не всегда в процессе автоматизированного проектирования удается получить параметры объекта, близкие к оптимальным, из-за сложности формализации некоторых аспектов проектно-конструкторской деятельности и невозможности воспроизведения хода решений опытных специалистов, а также учесть все особенности функционирования объекта в системе, вследствие чего разработанный объект при эксплуатации не отвечает предъявляемым требованиям к его характеристикам. Системный анализ в процессе проектирования обычно повышает трудоемкость разработки. Кроме того, изменение характеристик объекта в ряде случаев должно происходить на протяжении его жизненного цикла. Это приводит к необходимости проведения экспертизы и принятия решений о модернизации объекта. Результатом модернизации является усовершенствование объекта, а в отдельных случаях и его видоизменение. Процесс модернизации является частью процесса проектирования. Задачи проектирования и модернизации элементов технических систем обычно предполагают многовариантный поиск возможных решений, оценку последствий модернизации, что вызывает потребность в программных средствах для их автоматизации и делает задачу разработки данных средств актуальной.

Тема диссертационной работы является актуальной также в связи с возрастанием требований к обоснованности решений при проектировании и модернизации элементов сложных технических систем (в частности, объектов энергетического комплекса - силовых трансформаторов), ответственности лиц, принимающих решения (ЛПР) за последствия воздействий на систему. Особую актуальность в последнее время приобретают работы, направленные на создание средств для автоматизации процесса принятия решений, поскольку при этом исследуются пути решения следующих задач : обеспечение приемлемых (близких к оптимальным) параметров проектируемого объекта, целенаправленного воздействия на элементы технической системы, обоснованная модернизация элементов,

контроль направления развития системы на протяжении ее жизненного цикла, повышение информированности ЛПР посредством предоставления необходимого объема систематизированной информации, привлечение опыта и знаний специалиста к процессу принятия решений. В диссертационной работе предложен способ решения перечисленных задач путем включения в процесс принятия решений созданной интеллектуальной информационно - советующей системы. Круг исследуемых задач обусловливает наличие в данной системе средств для экспертной и информационной поддержки процесса принятия решений.

Интеллектуальные информационно - советующие системы поддержки принятия решения (СППР), подобные рассматриваемой в данной работе, используют для представления формализованной модели технической системы, логико -лингвистические методы представления знаний о предметной области, что позволяет охватить ряд трудно формализуемых задач принятия решений.

В существующих системах автоматизации процесса принятия решений обычно применяются методы процедурного анализа и формальных преобразований, что не позволяет охватить отдельные этапы процесса принятия решений. Поэтому сочетание жестких алгоритмических методов и методов формальных рассуждений, предложенное в работе, создает новые возможности для решения поставленных выше задач.

В настоящей работе практическое использование полученных решений иллюстрируется на примерах из области автоматизированного расчетного проектирования сложного электротехнического объекта - силового трансформатора.

Таким образом, решение проблем организации экспертной и информационной под держки процесса принятия решений при проектировании и модернизации элементов технических систем представляется актуальной задачей.

Цель диссертационной работы заключается в разработке средств экспертной и информационной поддержки процесса принятия решений, позволяющих автоматизировать поиск вариантов проектирования и модернизации элементов сложных технических систем, а также в создании технологии проектирования СППР на основе эффективных методов проектирования программного

обеспечения. Для достижения поставленных целей в диссертационной работе решены следующие задачи:

- определен способ организации экспертной и информационной поддержки процесса принятия решений;

- разработан способ представления экспертных знаний, позволяющий автоматизировать решение задач в различных предметных областях;

- разработан способ поиска решений в пространстве состояний, который является основополагающим компонентом функционирования механизма логического вывода;

- разработана и реализована экспертная система для планирования действий при проектировании и модернизации элементов сложных технических систем, создана концептуальная модель данных экспертной системы для поддержки принятия решений;

- на основе опыта разработки автоматизированного комплекса поддержки принятия решений (АКППР) предложена технология проектирования СППР с использованием методов модульного анализа и структурного программирования;

- создана концептуальная модель данных экспертной системы для поддержки принятия решений.

При решении поставленных задач в диссертационной работе используются теория нечетких множеств, теория выбора и принятия решений, теории построения информационных и экспертных систем, методы проектирования программного обеспечения.

Основные научные результаты :

- разработан способ организации информационной поддержки процесса принятия решения и экспертной поддержки процесса формирования решения при проектировании и модернизации элементов технических систем, отличающийся от известных возможностью комплексного подхода к решению данной проблемы, сочетанием методов процедурного анализа и формальных рассуждений;

- разработан способ реализации языка представления знаний в сложной предметной области, оригинальность которого заключается в возможности записи правил на языке, приближенном к языку эксперта;

- для учета неопределенности экспертных знаний при записи правил базы знаний применен метод комбинирования неравнозначных по важности критериев, позволяющий учитывать частные цели при принятии решения в общей целевой функции, формализовать предпочтения эксперта при выборе решения;

- предложена схема организации логического вывода на неопределенных высказываниях;

- предложен вариант автоматизации этапов процесса принятия решений ;

- предложены основные алгоритмы работы компонентов СППР, алгоритмы обработки и представления данных и знаний.

На защиту выносятся:

1. Способ организации информационной и экспертной поддержки процесса принятия решений в задаче планирования действий при проектировании и модернизации элементов технической системы.

2. Схема организации логического вывода на неопределенных высказываниях.

3. Технология проектирования СППР на основе использования методов модульного анализа и структурного программирования.

Данная диссертационная работа является продолжением и развитием идей и разработок в области принятия решений Г.В.Попова [64, 65, 66, 68 ]. Большое влияние на мировоззрение, а потому и на содержание диссертационной работы оказали научные труды Э.В. Попова [ 69, 70, 71 ] , ДА. Поспелова [ 72 ], С.А.Орловского [ 60 ], Д.Б. Юдина [ 105 ] . Кроме того, автор старался учесть опыт использования методов принятия решений в условиях неопределенности, накопленный в трудах Л. Заде [25, 58], Д. Дюбуа и А.Прада [23,58 ].

Хочется выразить особую признательность доценту кафедры ВТ и САПР ИГЭУ, к.т.н. В.П.Зубкову, аспиранту ИГЭУ А.В.Кадыкову за помощь в разработке идей и методов, изложенных в 2, 3 и 4 главах данной диссертационной ра-

боты, доцентам кафедры "Безопасность жизнедеятельности" ИГЭУ, к.т.н. В.П.Строеву и А.Г.Горбунову за помощь в создании формализованной модели сложной технической системы, ассистенту кафедры "Безопасность жизнедеятельности" ИГЭУ И.А.Холостовой за помощь в формировании базы знаний в предметной области "Планирование действий при проектировании трансформаторов".

Основные результаты диссертационной работы изложены в работах [2,3,15,17,64,67,75,76,80] и обсуждались: на Международной научно-технической конференции "VII Бенардосовские чтения" (Иваново, 1994), на Международной научной конференции "Кондратьевские чтения" ( Иваново, 1996), научно-технической межвузовской конференции "Опыт информатизации образования в высшей школе : состояние и перспективы" ( Иваново, 1996), на Международной научно-технической конференции "VIII Бенардосовские чтения" (Иваново, 1997).

Результаты работы внедрены в АО "Ростовэнерго" (г.Ростов), АООТ "Кольчугцветмет" (г.Кольчугино Владимирской области), АО "Ростовская городская телефонная сеть" (г.Ростов), Центральном управлении банка России по Кировской области (г.Киров) в виде автоматизированного рабочего места, в Ивановском государственном энергетическом университете на кафедрах электромеханики (выполняются лабораторные работы по курсу "Основы САПР") и "Безопасность жизнедеятельности" (лабораторный практикум по курсу "Системный анализ и теория принятия решений") в виде экспертной системы для поддержки принятия решений.

Практические приложения предложенного способа организации поддержки процесса принятия решений демонстрировались на выставках "Электробезопасность - 94" и "Электробезопасность - 97" , проводившихся в г.Москве в ВВЦ (павильон "Электрификация") в 1994 и 1997 г.г.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и приложений.

Во введении определены цели и задачи работы, обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы объект и предмет исследования, основные положения, выносимые на защиту, указаны методы исследования, теоретическая значимость и прикладная ценность полученных результатов.

В первой главе проводится анализ предметной области исследования, изучаются проблемы интеллектуализации СППР, рассматриваются различные существующие подходы к подцержке процесса принятия решений, выбору архитектуры программного обеспечения, использованию методов обработки неточных знаний в СППР, уточняются задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена обоснованию модели представления технической системы и способа ее реализации в виде фактологической модели, решению ряда трудноформализуемых проблем экспертной поддержки процесса формирования решений, в частности, способу обработки неопределенных знаний, описанию схемы логического вывода на неопределенных высказываниях.

В третьей главе описывается предлагаемый способ поиска решений в пространстве состояний с использованием сети, анализируются способы реализации поиска решений в различных ситуациях принятия решений, обосновываются преимущества разработанной комбинированной стратегии обхода сети.

В четвертой главе описывается экспертная система, реализующая предлагаемый способ поиска решений, способ реализации основных ее компонентов, проводится сравнение экспертной системы с из