Системное автоматизированное проектирование

При использовании в САПР семантические сети применяются в семантическом

анализе при организации диалога на предметном языке. Этот анализ

проводится после морфологического и синтаксического разбора. Далее

используется либо прямое преобразование синтаксических отношений в

семантические с применением встроенных правил (фильтров), либо

преобразование осуществляется на основе соответствий, указанных в моделях

управления.

Рис.1. Пример сети, используемой для представления отношений между

моделями и макромоделями объекта проектирования в САПР.

Однако, если предметная область САПР основана на описании естественных

объектов, то размерность семантической сети становится необозримой. В этом

случае предпочтительнее использование представления в виде фреймов.

ФРЕЙМЫ

Приведем определение фрейма.

ФРЕЙМ - поименованная семантическая сеть, являющаяся элементом

множества, построенного на операции связи с помощью одного или нескольких

узлов.

Подобное определение не противоречит с трактовкой фрейма как структуры

данных, формализовано отображающей объектно-субъективные отношения

декларативным либо процедурным образом и содержащей постоянную часть или

переменную. О последней говорят как о совокупности слотов ( переменная

часть фрейма ).

Такая структура образуется множеством троек вида:

{ F, (S1, GS1, PS1), ..., ( Si, GSi, PSi), ..., (Sl, GSl, PSl) },

где F - имя фрейма , Si - имя слота, GSi - значение слота, PSi -

процедура, связанная со слотом.

При работе с фреймами допустим любой уровень вложений, поскольку

значением слота некоторого фрейма может быть любое имя фрейма.

Сеть фреймов реализует модель объекта проектирования на основе фрейма

"преобразование" и отражает свойство объекта проектирования в целом и его

отдельных компонент (узлов, звеньев, макромоделей - совокупности звеньев).

Порядок инициализации процедур для преобразования данных определяется

слотами параметров моделей.

На рис. 2 приведена сеть фреймов, реализующая модель объекта

проектирования.

Рис. 2. Сеть фреймов, реализующая модель объекта проектирования в

соответствии с иерархией, отображенной на рис.1.

Для инженерной деятельности характерны специфичные формы представления

знания. Это связано со следующими обстоятельствами:

1) c необходимостью описания последовательности принятия проектных решений

в форме, удобной для представления в ЭВМ.

2) c отождествлением ТЗ на объект проектирования с той или иной

последовательностью действий проектанта.

3) с оценкой корректности ТЗ и адекватности моделей объекта проектирования.

Первое требование возникает, если САПР строится целиком на основе базы

знаний и не позволяет оперировать строгим математическими моделями объектов

проектирования. Такой путь предполагает использование экспертных систем для

накапливания знаний инженеров высокой квалификации и последующего их

"тиражирования" в вычислительных системах.

Второе требование также характерно для использования свойств экспертных

систем в полном объеме, а также для САПР, называемых "интеллектуальными".

Третье требование возникает при необходимости построить САПР,

адаптирующиеся к пользователю и развиваемые проектантами.

Наиболее интересным приложением для интеллектуальных САПР является

построение обучаемых мониторов, называемых интеллектуальными

планировщиками. Подобные мониторы реализованы с использованием аппарата

сетей Петри (которые мы здесь не рассматриваем).

МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ

Рассмотренные способы представления знаний могут иметь самую

различную программную реализацию в вычислительных системах. Во многом эти

способы зависят от характера отношений между данными, которые моделируются

знаниями.

В инженерной практике исторически сложилось два способа документирования

проектных решений - текстовый и графический.

Наибольший интерес представляет графический способ документирования.

Технологические и пользовательские аспекты обработки графической

информации в системах проектирования и конструирования изучены достаточно

глубоко.

Двухуровневый характер кодирования таких изображений, как чертежи,

графики позволяет сводить их описание к лексическим примитивам (линия,

круг, точка и т.п.). Следовательно, представление знаний с помощью таких

"кодов" так или иначе сводится к способам, уже рассмотренным ранее.

Особое место занимает графическая информация, кодируемая полутоновыми

многоуровневыми изображениями реальных и искусственных объектов. Наиболее

мощным арсеналом программно-аппаратных средств обработки, хранения и

представления таких изображений располагает цифровая голография.

Использование этих средств позволяет не только решать задачи

препарирования изображений и распознавания образов, но и строить обучаемые

вычислительные системы.

ЛЕКЦИЯ (8

Тема: “Экспертная система для автоматизированного проектирования”

ВВЕДЕНИЕ

Экспертная система для решения задач автоматизированного проектирования

является, в свою очередь, вычислительной системой.

Она должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Принимаемые с помощью системы решения должны соответствовать уровню

эксперта-профессионала.

2. Cпособы принятия решений (метарассуждения) в любой момент времени должны

воспроизводится в форме, понятной как эксперту, так и пользователю.

3. Система должна адаптироваться к пользователю за счет возможности менять

как формулировки запросов и задач, так и последовательность их

возникновения.

4. Cистема должна обладать возможностью использовать, приобретать и хранить

общие и частные схемы рассуждения, построенные на не полностью

достоверных данных и символьных преобразованиях.

5. В процессе жизненного цикла система должна обладать свойством ревизии

данных и схем рассуждений.

ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМОЙ

Перечислим задачи, которые способна решать экспертная система:

1. Задачи не могут иметь числовой интерпретации.

2. Цели, достигаемые при их решении, не могут быть представлены в виде

целевой функции.

3. Комбинаторные методы перебора невозможны.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ОБОБЩЕННОЙ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ

Перечислим основные компоненты такой системы. К их числу относятся

следующие:

1. Лингвистический процессор

2. Подсистема логического вывода.

3. База знаний.

4. Подсистема ревизии знаний.

5. Рабочая память.

На рис.1 показана структурная схема обобщенной экспертной системы.

Рис.1. Структура обобщенной экспертной системы.

Лингвистический процессор осуществляет связь остальных компонент с

пользователем или экспертом на алгоритмическом языке.

Подсистема логического вывода обеспечивает построение той или схемы

рассуждения.

База знаний предназначена для хранения и обработки знаний,

представленных логическими, продукционными либо семантическими моделями.

Подсистема ревизии знаний позволяет пользователю либо эксперту

вмешиваться в процесс подготовки принятия решения за счет объяснения

(отображения) промежуточных действий в системе.

Рабочая память обеспечивает хранение промежуточных данных и их обмен

между компонентами системы.

В некоторых работах по искусственному интеллекту можно встретить

несколько другое представление обобщенной экспертной системы, причем,

принципиальным отличием может явиться наличие в структуре подсистемы

приобретения и интерпретации знаний. Однако в таких системах, как EURISKO,

роль такой подсистемы выполняет подсистема логического вывода совместно с

подсистемой ревизии знаний, а в системе MYSIN ее невозможно выделить как

отдельное программное средство. В системах, построенных по технологии

"prototyping" - ИНТЕРЭКСПЕРТ (GURU), ЭКСПЕРТИЗА, т.е. на основе оболочек,

также трудно выделить такой программный модуль, который обеспечивал бы

приобретение знаний.

Рассмотрим подробнее структурные компоненты экспертной системы.

КОМПОНЕНТЫ ЭКСПЕРНОЙ СИСТЕМЫ

ЛИНГВИСТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР

Лингвистический процессор обеспечивает взаимодействие пользователя либо

эксперта с программно-аппаратной частью экспертной системы путем

преобразования (трансляции, конвертирования, интерпретации) предложений на

проблемно-ориентированном (чаще на естественном) языке в предложения на

внутреннем языке (метаязыке) и наоборот.

На рис.1 не показано, что в этих преобразованиях участвует база знаний,

поскольку во многих экспертных системах лингвистические процессоры

реализуются отдельным модулем, имеющим программно-аппаратный вид.

Достаточно общее название этой структурной единицы позволяет

рассматривать под этим названием самые различные программные и программно-

аппаратные реализации. Они независимы от способа кодирования сообщения:

речевой ввод, ввод с алфавитно-цифровой клавиатуры, с сенсорного

устройства и т.д.

В любом случае считается, что входными данными лингвистического

процессора являются цепочки символов, представленных во внутреннем коде

системы, а выходными - либо цепочки, синтезированные на языке деловой прозы

для человека, либо цепочки на метаязыке системы.

Преобразование лексических единиц на естественном языке возможно в

процедурной, декларативной или смешанной форме. Для декларативной формы

характерно существование некоторого словаря и морфологический анализ

сводится к сопоставлению соответствующих лексем.

Процедурный способ морфологического анализа основывается на определении

последовательности операций, которые необходимо осуществить для определения

значений морфологических параметров. При этом под морфологией понимается

система правил порождения слов.

База знаний, над которой строится лингвистический процессор, содержит

словарь, множество фильтрующих процедур и семантическую сеть. С помощью

словаря осуществляется представление знаний о словах (лексемах).

Фильтрующие процедуры реализуют правила анализа и синтеза лексем, а

семантические сети кодируют смысловые структуры предметной области.

Структура основной части лингвистического процессора и взаимодействие

его элементов условно представлены на рис.2.

Рис.2. Структура лингвистического процессора

В процессе анализа сообщения пользователя выделяются корни слов,

идентифицируется совокупность корней по словарю, хранящемуся в рабочей

памяти, проводится морфологический разбор и после семантического разбора

порождается сообщение на метаязыке системы.

При синтезе сообщения чаще всего используется множество формальных

шаблонов, которые выбираются в соответствии с семантикой сообщения и

заполняются в соответствии с его морфологией и синтаксисом.

Лингвистический процессор систем ИНТЕРЭКСПЕРТ, ЭКСПЕРТИЗА позволяет

осуществлять связь на естественном языке и рассчитан на распознавание до

500 слов и команд. Процесс формирования интерфейса реализуется с помощью

меню. Оно предлагается пользователю всякий раз, когда введенное предложение

на естественном языке содержит слова, не содержаржащиеся в словаре

процессора.

Меню предлагает пользователю варианты типа:

- "временное изменение",

- "постоянное изменение",

- "более длинная фраза",

- "игнорировать слово" ,

- "снять запрос".

В первом режиме составляется временное определение, которое хранится до

следующего запроса. При этом нераспознанное слово автоматически приводится

в семантическое соответствие с синонимом из словаря в течение текущего

запроса.

экспертной системе позволяет со временем снимать разграничения в

функциях эксперта и пользователя.

Возможности наиболее распространенных в настоящее время экспертных

систем в области ревизии знаний пока ограничены. В основном, пользователю

объясняют причины запросов и раскрывают Во втором режиме проводится

постоянное доопределение словаря соответствующим синонимом.

В третьем режиме синонимы вводятся уже не для отдельных слов, а для

словосочетаний.

Четвертый режим позволяет пользователю понизить избыточность в

сообщении, если какое-то слово в фразе, кодирующей запрос, нераспознано

процессором, а пятый позволяет прекратить бесплодные попытки разъяснить

принципиально неопознанную фразу запроса.

Лингвистический процессор ИНТЕРЭКСПОРТ расширен на область графического

представления данных в виде таблиц и графиков.

ПОДСИСТЕМА ЛОГИЧЕСКОГО ВЫВОДА

Подсистема логического вывода, предназначенная для генерации

рекомендаций по решению прикладной задачи на основе информации, находящейся

в базе знаний, строится на основе теории машины Поста.

На структурной схеме, показанной на рис.3, определены связи между

компонентами этой подсистемы в соответствии с принципами функционирования

машины Поста. Согласно наименованию, подсистема порождает правило на основе

импликации вида:

Ri : Ii ( Ri’, где Ri - правило продукции, извлекаемое из базы

знаний, Ii - условие применения правила Ri,

R’ - порождаемое правило, которое может быть помещено либо не помещено в

базу знаний.

Рис.3. Структура и принцип функционирования интерпретатора

В процессе решения той или иной задачи в подсистеме производится

интерпретация (означивание) того или иного правила и выполнение действий,

определяемых этим правилом. Выбор (идентификация) того или иного правила

основан на сопоставлении условий Ii и в общем случае приводит к нескольким

правилам одновременно. При этом возможно порождение порождается

конфликтного набора.

Разрешение конфликтного набора осуществляется специальной процедурой,

называемой селектором. В селекторе заложена определенная стратегия.

Для оперативного хранения промежуточных данных по условиям Ii, во многих

системах предусматривается РАБОЧАЯ ПАМЯТЬ.

Например, в системе ИНТЕРЭКСПЕРТ, а точнее, в ее инструментальной среде,

логический вывод осуществляется либо с помощью процедур, разработанных на

уровне языка структурного программирования, либо с использованием эвристик,

реализованных в среде.

Различают прямую и обратную аргументацию.

В первом случае каждое правило, занесенное с помощью средств,

обрабатывается в последовательности от посылки к заключению. Если

предложение, реализующее посылку, истинно, то правило инициируется и

происходит переход к заключению. В противном случае возобновляется проверка

истинности до момента, когда все правила не будут исчерпаны.

Во втором случае в машине логического вывода распознается то правило, в

заключении которого содержится наиболее близкое к проблеме решение.

Если посылка правила не определена, производится перебор неизвестных

переменных в посылке правила применительно к новым условиям. Операции

повторяются циклически до нахождения решения либо до определения

неразрешимости задачи.

Посылки к правилам формируются с помощью нечетких множеств, причем

допускается использование нечетких чисел и лингвистических переменных. В

инструментальной среде ИНТЕРЭКСПЕРТ вводятся в рассмотрение "факторы

уверенности". Для них определена шкала в диапазоне от 0 до 100 .

Допускается формулировка посылок четкими переменными, полями базы данных,

статистическими переменными, переменными с индексами.

Доступ к машине логического вывода осуществляется двумя основными

путями: путем предложения правила и путем запроса на консультацию.

Первый путь реализуется предложением, имеющим форму:

правило: "имя правила"

ЕСЛИ : < предложение>

ТОГДА: < заключение >

Предложение реализуется выражением, которое связывает операнды и

операции логических отношений. Заключение строится из любого числа

операндов, в состав которых входят переменные и коды операций.

Правило инициируется только после того, как будут установлены значения

всех переменных, входящих в состав операндов и операций.

Таким образом, структура набора правил образуется предложениями:

описания типов используемых переменных, правил, консультаций, объяснений

правил (которые, вообще говоря, не обязательны), завершения набора и

завершения текста набора правил.

С помощью специального редактора набора правил осуществляется

построение, изменение состава и структуры и компиляция набора правил. После

компиляции образуется исполнимая экспертная система, порожденная в

оболочке системы. Программирование машины логического вывода, таким

образом, формально мало чем отличается от обычного программирования.

Отличие возникает при оперировании с нечеткими переменными и нечеткими

условиями.

Основные типы переменных, определенные в среде: символьные, числовые,

логические и неизвестные. Основные виды: ячейки, поля, рабочие переменные,

фиксированные переменные среды.

Отдельный вид составляют нечеткие переменные, определяемые в

рассматриваемой среде как и переменные набора. Последние имеют нечеткие

подмножества значений любого сочетания перечисленных типов. Каждое значение

нечеткой константы определяется соответствующим значением функции

принадлежности, определяемым в среде как "фактор уверенности".

Например, переменная набора

Y = {1/0.5; 2/0.5; 3/0.5}

в инструментальной среде записывается таким образом:

Y = {1 cf50, 2cf50, 3cf50}.

C использованием факторов уверенности осуществляется и формирование

набора правил. Учет этих факторов выполняется путем введения факторов

уверенности: посылки, заключения и переменной заключения.

Основные операторы, принятые в инструментальной среде операторы

отношений:

- = - проверка на равенство ,

- <> - проверка на неравенство,

- >= - проверка на превышение или равенство,

- < - проверка на превышение,

- - проверка на превышение,

- IN - проверка на соответствие одного элемента другому.

Операции в машине логического вывода могут описываться в выражениях,

использующих действия над функциями принадлежности. Это могут быть:

- операция "И" и группируемые вокруг нее

min (a, b), ab, (ab+ min(a,b)/2), ab(2-max(a,b))

- либо операция "ИЛИ" и группируемые вокруг нее

max(a,b), (a+b-ab), (max(a,b (a+b-ab))/2).

Таким образом, в инструментальной среде можно реализовывать арифметику

нечетких чисел и алгебру нечетких высказываний.

Аналогичным образом осуществляется функционирование машины логического

вывода и в системе ЭКСПЕРТИЗА.

ПОДСИСТЕМА РЕВИЗИИ ЗНАНИЙ

Подсистема ревизии знаний является частью любой экспертной системы, так

как она обеспечивает адаптацию пользователя к вычислительной системе.

Поскольку всякая САПР так или иначе связана с вычислительной системой, то

свойство эксперной системы по отображению промежуточных и окончательных

решений позволяет эксперту менять состав продукционных правил, а

пользователю состав и содержание запросов. Это свойство помогает разрешить

многие проблемы, стоящие перед разработчиками САПР и проектантами.

Благодаря такой подсистеме в развитых экспертных системах (например, в

EURISKO) появляется возможность влиять на базу знаний и на стратегию

управления продукционной системы, реализуемой в машине логического вывода.

В инженерной деятельности проектные решения выбираются на основе

глубинных причинно-следственных связей. Они далеко не всегда имеют

формальное или какое-либо формализованное представление. Поэтому понимание

проектантом хода рассуждений в процессе консультации в содержимое базы

знаний.

Несколько слов относительно состава и назначения базы знаний.

БАЗА ЗНАНИЙ

В экспертных системах знания могут представляться в декларативной,

процедурной, управляющей формах и в виде метазнаний.

Декларативные знания представляются как факты, формируемые

пользователями, процедурные - как правила, представляемые экспертами.

Управляющие знания - набор стратегий, определяющих функционирование

подсистемы логического вывода. Метазнания представляются пользователю и

эксперту в процессе функционирования экспертной системы. С их помощью

раскрывается ее состояние, структура и схема рассуждения. Метазнания -

основной источник развития экспертной системы.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ САПР

На основе проведенного анализа структуры эксперной системы, можно

утверждать, что такая вычислительная среда имеет прямое применение для

инженерной деятельности как средство автоматизации проектных работ, если

проектирование ведется от прототипа, по восходящей технологии или на высших

иерархических уровнях той или иной системы проектирования.

Однако, если объект проектирования можно формально описать, возникает

потребность, с одной стороны, использовать приемы, характерные для

инженерной деятельности, а с другой - привлечь знания математиков для

использования формальных методов принятия решения.

Кроме того, дальнейшее развитие САПР, по мнению многих разработчиков,

должно идти по пути создания вычислительных систем, которые "лояльны" к

пользователю, легко тиражируются и обладают свойством развития.

В ближайшее время при построении САПР необходимо обеспечить решение

следующих задач:

- обучение пользователя, которое сводится к обучению входным языкам,

представлению справочной информации, адаптированной к характеру запроса,

диагностике ошибок и сопровождению пользователя в процессе

проектирования;

- обучение САПР, предполагающее настройку системы на конкретную предметную

область или класс проектных процедур;

- организация диалога в процессе проектирования с целью описания объекта

проектирования, технологического задания и заданий на выполнение

проектных процедур;

- изготовление проектной и справочной документации, оформляющей проектные

решения;

- контроль за функционированием системы и отображение статистических данных

о количестве и качестве проектных решений.

Перечисленные задачи во многом совпадают с требованиями, которые

предъявляются к обобщенной эксперной системе.

Дополнительно можно сформулировать две задачи:

- обеспечение возможности развития САПР в части совершенствования методов

моделирования объектов проектирования и расширения числа проектных

процедур, основанных на формализованных методах;

- обеспечение возможности накопления и обмена опытом проектантов в единой

вычислительной среде.

Эти задачи не могут решаться в среде экспертной системы, структуру

которой мы рассмотрели. Ясно, что ее ориентация на обработку не

формализуемых, эвристических данных, определяющая структуру и принципы

функционирования, не позволяет использовать ее для обработки моделей

объектов проектирования, построенных на строгой или даже приближенной

математической основе.

ВЫВОДЫ

1. Основное свойство вычислительных систем, называемых экспертными - менять

свою структуру и содержание в процессе функционирования - отвечает

основному требованию, предъявляемому к САПР - возможности адаптироваться

к характеру проектных работ. Принцип обучаемости эксперных систем за

счет изменений структуры и содержания должен сочетаться с принципом

неизменной совокупности формализованных процедур, на котором строятся

САПР с детерминированной структурой.

2. Реализация САПР, построенных на концепции развития с помощью

проектантов, возможна на основе учета их мнений и опыта, накопленного в

процессе проектных работ с применением технологических принципов,

используемых при разработке экспертных систем. Способы учета экспертных

оценок проектантов, методы сочетания формализуемых и эвристических

алгоритмов связаны с предметной областью САПР в части моделирования

объектов проектирования, организации диалога и принятия решений.

3. В зависимости от степени детализации описания объекта проектирования

меняется сочетание эвристических и формализованных способов

представления знаний. Чем выше иерархический уровень САПР, тем в большей

мере необходимо использовать в качестве инструментальных средств

вычислительные системы класса экспертных. На

уровнях, допускающих строгую формализацию в модельном представлении объекта

проектирования, структура программного обеспечения может выполняться на

основе четких алгоритмов. Если объект проектирования не всегда имеет

адекватное модельное представление на определенном иерархическим уровне,

структура соответствующей САПР должна сочетать четкие и нечеткие алгоритмы.

4. Направления в разработке САПР:

- использование экспертных систем непосредственно для автоматизации

проектных работ, не поддающихся формализованному описанию (как правило,

на высших иерархических уровнях);

- использование отдельных структурных компонент экспертной системы для

интеллектуализации САПР с целью обеспечения большей лояльности к

пользователю;

- разработка САПР с экспертными компонентами на основе сочетания

формализованных и эвристических представлений знаний с целью

обеспечения их развития пользователями и экспертами без участия

разработчиков САПР.

ЛЕКЦИЯ (10

Тема: ”Процесс проектирования технологических операций”

1. Классификация моделей объектов проектирования

ОБЪЕКТ инженерного проектирования - материальный объект искусственной

природы, который должен быть создан для разрешения определенной проблемы,

возникающей или выделенной в одном из фрагментов действительности.

В машиностроении в качестве объекта инженерного проектирования выступают

технологические операции определенных классов.

Совокупность СВОЙСТВ объекта проектирования делится на внешние Y и

внутренние Х свойства.

ВНЕШНИЕ свойства объекта проектирования разделяются на два подмножества:

- существенные (функциональные или свойства назначения) Yн, которые

подлежат непосредственной реализации при использовании объекта по прямому

назначению,

- утилитарные (нефункциональные) - Yу, присущие любому реальному

объекту (объем, масса, стоимость и др.).

Справедливо соотношение: Y = Yн U Yу.

ВНУТРЕННИЕ свойства проектирования характеризуют физический, химический

и др. процессы, а также техническую форму его реализации как принцип

действия данного объекта проектирования.

МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА M(О) - приближенное описание какого-либо класса явлений,

выраженное с помощью математической символики.

Модели объектов проектирования классифицируют по ряду признаков:

- способу построения,

- степени полноты отображения рассматриваемых сторон объекта,

- степени общности в отношении к объекту,

- пригодности для целей прогнозирования,

- назначению.

Кратко рассмотрим каждую из групп моделей.

А. По способу построения различают модели семиотические (знаковые) и

материальные (предметные ).

Семиотические модели предназначены для отображения с помощью знаков

объектов различной природы, свойств этих объектов, а также различных

отношений между объектами свойствами и значениями свойств.

Материальные (предметные) модели включают натурные (экспериментальные,

лабораторные, опытные образцы объектов); геометрически подобные

(пространственные макеты); физически подобные (модели, обладающие

механическим, кинематическим, динамическим и другими видами физического

подобия с объектом); предметно-математические (созданными с помощью ЭВМ).

Б. По степени полноты отображения (представления) объекта модели могут быть

полными - M(O); неполными (различной степени неполноты по содержанию или

объему) - M'(O), M"(O),..., Mn (O).

B. По степени общности в отношении к оригиналу выделяют модели описания

Mo(O) (отображают характерные стороны объектов); модели-интерпретаторы

Mi(O) (представляют отдельные объекты, входящие в состав некоторого класса

и учитывают особенности их частной реализации); модели - аналоги Ma(O)

(различные по форме представления, но равные между собой степени общности в

отношении оригинала).

Г. По характеру воспроизводимых сторон объекта проектирования выделяют

субстанциональные модели SbM(O) (характеризуют пространство возможных

состояний объекта, примеры: справочники, описания типовых проектных

решений, технологических операций); функциональные модели FnM(O) (в

отличие от моделей SbM(O) характеризуют объект только в аспекте

определенных его отношений со средой или другими объектами. Отображают

поведение объекта, его приспособленность к определенным воздействиям);

структурные модели StrM(O) (характеризуют внутреннюю организацию объектов);

смешанные модели.

Д. По пригодности для целей прогнозирования модели относятся к пригодным и

непригодным.

Е. По назначению модели могут быть целевыми и продуктивными.

Целевые модели Mц(O) призваны в явной форме отображать цель создания,

назначение объекта проектирования.

Продуктивные модели Mпр(O), под ними понимается совокупность технической

документации на объект.

2. Модельное представление технологических операций

По способу построения различают модели семиотические (знаковые) и

материальные (предметные).

Семиотические модели предназначены для отображения с помощью знаков

объектов различной природы, свойств этих объектов, а также различных

отношений между объектами, свойствами и значениями свойств. Они делятся на

языковые (логико-лингвистические - символьные структуры, входящие в

некоторую систему, логико-математические - упорядоченные знаковые цепочки);

неязыковые (наглядно-образные, например, схемы, эскизы, чертежи).

Материальные модели включают:

- натурные (экспериментальные, лабораторные, опытные образцы

объектов);

- геометрически подобные (пространственные макеты );

- физически подобные (модели, обладающие механическим,

кинематическим, динамическим и другими видами физического подобия с

объектом;

- предметно-математические, созданные на базе ЭВМ и воспроизводящими

объекты в определенном масштабе времени и реализующими подобие объектов.

Рассмотрим логико-математические модели.

Логико-математические модели любых объектов M(O) обычно определяются как

множества (М1,M2,...,Mk) с заданными наборами отношений (r1,r2,...,rm).

При этом справедливо следующее выражение:

M (O) = .

(Под сигнатурой понимается набор идентификаторов (имен) отношений,

входящих в состав модели, с указанием их арности.

Моделью Mk(О) в сигнатуре Om называют пару , где M = {Mik} -

базовое множество модели, ( - инъективное отображение,

которое сопоставляет каждое название (уникальное имя, идентификатор) с

отношением Rn из сигнатуры Om.

В моделях технологических операций M(TO) будем квалифицировать

множества (M1,M2,...,Mk) как базовые, если значения их элементов могут быть

непосредственно интерпретированы как значения внешних или внутренних

свойств технологических операций, значения свойств среды операции или

свойств предметов последней.

Координатами элементов отношений (r1,r2,...,rm), входящих в M(TO), могут

быть как элементы базовых множеств, так и элементы независимо определяемых,

вложенных отношений.

Для описания схем связей координат в отношениях в M(TO), могут быть

использованы передаточные функции, дифференциальные, разностные,

регрессионные уравнения, табличные или словесные описания.

На рис.1. показан упрощенный образ реальных технологических операций.

В среде технологических операций, характеризуемой вектором Z, учитывать

окрестностные условия Z0 и внешние условия Zy. Тогда справедливо выражение

вида Z = Z0 ( Zy.

В окрестностных условиях среды технологических операций выделим:

- предметы (материалы, полуфабрикаты, заготовки), состояние которых

характеризуется составом и значениями ряда свойств (в общем случае как

внешних, так и внутренних) т.е. вектором Z(0;

результаты технологических операций, состояние которых

характеризуется вектором Z((0.

трудоемкости, материалоемкости, энергоемкости, фондоемкости операции);

Y((у - показатели степени экологической безопасности.

В качестве внутренних свойств технологической операции X будем

рассматривать:

Рис.1.1. Наглядная модель технологической операции и ее среды.

Внешние условия среды, описываемые вектором Zy, отображают условия

функционирования средств технологического оснащения (оборудования,

оснастки), реализующего данную технологическую операцию, условия, в которых

пребывают предметы и результаты технологических операций (температура,

влажность, запыленность окружающей среды, квалификация рабочих), а также

тип производства, в котором используется данная технологическая операция

(массовое, серийное, единичное, опытное).

В качестве внешних свойств технологических операций, характеризуемых

вектором Y, выступают:

а) свойства назначения или функциональные Yн, в числе которых Y(н -

главное свойство - способность преобразовывать предметы технологической

операции в ее результат, т.е. Y(н : Z(0 -> Z((0 ; Y((0 - параметры

производительности технологической операции (оценивается показателями

среднего значения и дисперсии процента выхода, цикла операции, ритма

выпуска, такта выпуска, числа одновременно изготавливаемых единиц и др.).

б) утилитарные свойства Yу, в числе которых Y(у параметры ресурсоемкости

технологической операции синтезирован.

Известно, что Str-FnM(O) отображает внутренние свойства Х объекта на

внешние Y (состав элементов объекта, состав и схему его внутренних связей,

а также свойства этих элементов и связей на внешние свойства объекта.

Модель Str-FnMo(O) характеризует пространство возможных состояний

объектов определенного класса в границах своей применимости для всех

допускаемых данной моделью значений X и Y.

Решение задачи проектирования в данном случае заключается в

формировании Str-FnMi(O) проектируемого объекта. Это сводится к выбору

значений ряда параметров, которые являются наилучшими в смысле выполнения

условий задача проектирования передвижения в пространстве допустимых

значений параметров X и Y в

Str-FnMo(O).

Решение задачи проектирования при использовании представлений (оценивается

показателями - параметры, характеризующие естественный процесс

(физический, химический, физико-химический) Xп и техническую форму или

способ осуществления этого процесса Хф, выступающие в качестве принципа

построения/действия данной технологической операции,

- режимы функционирования технологического оборудования X0,

реализующие данную операцию.

При этом справедливо X = Xп ( Xф ( Xо.

В общем случае внутренние свойства технологических операций могут

описываться в терминах, лишь косвенно характеризующих естественный процесс.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ модели ТO могут быть представлены описаниями базовых

множеств, характеризующих важнейшие свойства предметов, результатов и самой

технологической операции, а также описанием отношения отображения

предмета ТО на ее результат в форме передаточной функции:

FnM (ТО) ( Y ( Z , y ( Yп, z ( Zо.

СТРУКТУРНЫЕ модели ТО представляются описаниями базовых множеств,

характеризующих только выделяемые внутренние свойства операции X = Xп ( Xф

( Xо.

Для отображения взаимосвязи внутренних свойств ТО обычно используются

термины и условные обозначения той предметной области, к которой относится

естественный процесс, выступающий в качестве принципа действия или

построения технологической операции.

ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНЫЕ модели ТО представляются описаниями базовых

множеств. Они характеризуют важнейшие свойства результата, предметов,

свойства назначения и выделяемые внутренние свойства самой ТО. Также

используются табличные или словесные описания отношения соответствия

'результат - предметы ТО' паре 'естественный процесс - техническая форма

реализации процесса ':

Fn - StrM (ТО) : Y х Z -> X, y ( Yн, z ( Zо, x ( Xп .

Cтруктурно-функциональные модели ТО представляются с помощью описаний

базовых множеств, характеризующих все выделяемые внешние и внутренние

свойства ТО, свойства ее результата, предметов, среды реализации, а также

описаниями отображений внутренних свойств ТО, свойств предметов и внешних

условий среды на внешние свойства ТО ее результата.

Обычно отношения, входящие в состав модели Str - FnM(ТО), представлены

вектор - функциями, отображающими зависимость свойств:

- результата ТО Z"о от внутренних свойств ТО X, свойств предметов

операций Z'о и внешних условий среды ТО Zу ;

- самой ТО Y = Yн ( Yу от внутренних свойств операции X = Xп U Xф U

Xо и свойств среды Z = Zо ( Zу ;

тогда справедливо выражение:

Z"о = f(X, Z'о, Zу) ;

Str - FnM(ТО) = { Y = f(X, Z) ; z ( Z, y ( Y, x ( X.

Продуктивная модель ТО - операционная карта по ГОСТ ЕСТД.

3. Задача проектирования технологических операций в обобщенной постановке

Предварительно определим цель проектирования. Ее можно представить в

следующем виде:

< Da, D*тр, Dусл > , где (1.1)

- Dа - предмет задачи проектирования,

- D*тр - желаемое состояние этого предмета,

- Dусл - условия, ограничения, которые должны быть выполнены в процессе

перевода предмета задачи из его исходного состояния в требуемое.

По отношению к задаче проектирования компоненты интерпретируются

следующим образом:

- Dа - заявка на объект проектирования. Эту заявку в задаче проектирования

представляет целевая модель объекта проектирования - M(O)ц;

- D*тр - продукционная модель объекта проектирования;

- M(O)пр - комплект технической документации для изготовления или

использования объекта в производственных условиях, которая отвечает

требованиям определенных стандартов (ЕСКД, ЕСТД или др.);

- Dусл - условия реализации задачи или ограничения на временные, трудовые,

материальные ресурсы Q, выделяемые для решения данной задачи

проектирования.

Под ЗАДАЧЕЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ любых объектов, в том числе технологических

операций, понимается задача построения модели объекта M(O)пр, для которого

определена целевая модель M(О)ц и установлены условия или ресурсы решения

задачи.

В обобщенной постановке задача проектирования может быть представлена в

виде:

ЗП = < M(O)ц, M(O)пр, Q > = , M(О)пр, Q > ,

(1.2)

где компоненты Z', Y', X', G являются в общем случае векторами.

Требования к функциональным свойствам объекта проектирования определены

в форме модели Fn M (O) Yн ( Z.

Требования к условиям функционирования объекта проектирования Z'

задаются допустимыми областями множества возможных состояний среды (внешних

Zy или окрестностных условий), а также продолжительностью функционирования

Yн".

Требования к свойствам объекта проектирования помимо Fn M (O) ограничивают:

a) допустимую область множества возможных значений внешних свойств объекта

проектирования Y' для всех z ( Z;

b) допустимую область множества возможных значений внутренних свойств

объекта Х' которые характеризуют принципы его действия.

Границы допустимой области множества значений свойств объекта X' часто

определяются ресурсами, необходимыми для изготовления или использования

объекта проектирования.

Условия решения задачи проектирования задаются допустимой областью

значений ресурсов Q, выделенных для использования в процессе

проектирования объекта. В качестве таких ресурсов обычно рассматриваются

продолжительность решения, общая трудоемкость, полная стоимость решения

задачи проектирования. При этом стоимость проектирования может выражаться

не только в виде денежных расходов, но и в количестве дефицитных

материалов, времени использования уникального оборудования и др.

Условия предпочтения в допустимой области множества возможных решений

задачи проектирования определяются:

1. Критерием эффективности, функцией ценности или качества объектов G,

которые обобщенно характеризуют данный объект проектирования, а также

параметров функционирования (Y", X", Z").

2. Оценочной функцией M, которая соотносит внешние и внутренние свойства

объекта проектирования при z ( Z с затратами (ресурсами), необходимыми

для реализации процесса проектирования. В общем случае

M : (Y(Х(Z) ( Q, и оценочная функция M характеризует затраты,

определяемые в виде различных ресурсов (временных, трудовых, материальных

и т.п.), на создание объекта с данным набором свойств. Предпочтение

может быть отдано проектному решению с таким набором внешних y (Yи

внутренних x ( X свойств, реализуемых при z ( Z, что M ((у,(х,(z ) (

M ( y, x, z ) для всех допустимых y ( Y, x ( X, z ( Z.

Таким образом, все многообразие задач проектирования любых объектов

проектирования сводится к двум:

a) максимизировать эффективность G проектируемого объекта (допустимые

затраты на процесс проектирования Q задаются в виде ограничений);

b) минимизировать затраты Q (временные, трудовые, материальные),

необходимые для реализации процесса проектирования (требования к внешним

Y, внутренним Х свойствам и условиям функционирования Z объекта

проектирования задаются в виде ограничений).

4. Модель процесса проектирования технологических операций

Обычно при решении человеком той или иной задачи обращают внимание на

умение найти такую ясную точку зрения, при которой ее решение является

достаточно простым.

Один из путей построения такой "ясной точки зрения" на рассматриваемую

задачу основан на использовании метода выбора представлений для решения

задачи. Этот подход предполагает существование упорядоченного и

относительно устойчивого отношения предпочтения между тем, что понимается

под типами представлений для решения задач, с одной стороны, и классами

(наборами) методов решения задач, с другой.

Все множество представлений для решения задач инженерного проектирования

может быть отнесено к трем основным типам:

- выбору из перечислений,

- определению в пространстве состояний,

- сведению задачи к подзадачам.

Рассмотрим каждый из типов представлений.

Использование представлений на основе выбора из перечислений возможно при

наличии множества готовых, ранее спроектированных объектов (систем,

устройств, сборочных единиц, технологических операций), описания которых в

форме SbMi(O) или FnMi(O) доступны проектировщикам.

Решение задачи проектирования при использовании представлений по типу

выбора из перечислений реализуется по следующей схеме:

- поиск или построение перечислений в виде упорядоченных множеств

{SbMi(O)}, {FnMi(O)} готовых проектных решений, соответствующих тем

объектам, которые составляют предмет задачи проектирования;

- выделение на множествах потенциально возможных решений {SbMi(O)} или

{FnMi(O)} подмножества допустимых и целесообразных решений;

- выбор одного из ранее существовавших, готовых объектов в качестве

наиболее предпочтительного решения данной задачи проектирования.

Существующие объекты представляют собой решения других, ранее

поставленных задач проектирования с иными условиями реализации,

ограничениями и др. Это позволяет предположить, что использование

представлений на основе выбора из перечислений имеет приоритет в тех

случаях, когда требования к свойствам объекта проектирования задаются в

виде ограничений. При этом целевая ориентация задачи проектирования

направлена на минимизацию временных, трудовых, материальных ресурсов,

реализуемых в процессе создания нового изделия и (или) освоения его в

производстве.

Представление на основе выбора из перечислений широко используется при

решении задач проектирования объектов низких уровней : материал, деталь,

простая сборочная единица, простая технологическая операция и цепочка

технологических операций.

Использование представлений на основе определения в пространстве

состояний предполагает наличие или возможность построения полной Str-

FnMo(O) объектов того класса, к которому может быть отнесен конкретный

объект данной задачи проектирования, а также существование готовых ранее

спроектированных компонентов и (или) элементов, из которых данный объект

проектирования может быть по типу определения в пространстве состояний

реализуется по следующей схеме:

- заимствование или построение множества моделей {Str-FnMo(O)}, которые

потенциально пригодны для формирования частных Str-FnMi(O), отображающих

отдельные структуры конкретного объекта;

- выбор или синтез полной, отображающей все выделяемые структуры, Str-

FnMo(O), наилучшей в смысле конкретного объекта, условий реализации и

ограничений данной задачи проектирования;

- построение модели Str-FnMi(O) проектируемого объекта.

Использование представлений на основе сведения задачи к подзадачам

предполагает разбиение задачи на совокупность подзадач. Их решение приводит

к выполнению исходной задачи. Процесс этот применяют рекурсивно для

порождения подзадач, до тех пор пока их решение не станет тривиальным.

Решение задачи проектирования в этом случае реализуется по следующей

схеме:

- заимствование или построение множества моделей {Str-FnMo(O)},

потенциально пригодных для формирования Str-FnMi(O) конкретного объекта,

составляющего предмет данной задачи проектирования (формирование

множества возможных вариантов декомпозиции объекта проектирования на

подобъекты);

- выбор модели Str-FnMo(O), наилучшей в смысле возможности построения

соответствующей Str-FnMi(O) объекта данной задачи проектирования с

учетом особенностей условий реализации задачи и ограничений;

- построение Str- FnMi(O) проектируемого объекта - параметризация,

интерпретация Srt-FnMo(O), наилучшая в смысле условий данной задачи

проектирования.

Представления на основе сведения задачи к подзадачам используются тогда,

когда из-за высоких уровней сложности проектируемых объектов или из-за

отсутствия необходимых методов и средств задача проектирования не может

быть решена на основе других типов представлений. Они используются и в тех

случаях, когда целевая ориентация задачи проектирования предполагает

максимизацию степени использования готовых проектных решений.

Следует отметить, что в общем случае на разных стадиях решения каждой

конкретной задачи проектирования могут использоваться различные типы

представлений:

- на высшем уровне решение по типу сведения задачи к подзадачам;

- на уровне составных единиц - по типу определения в пространстве

состояний;

- на уровне элементов - по типу выбора из перечислений и т.п.

При вариантном проектировании возможен "конкурс" типов представлений,

когда одна и та же задача проектирования данного уровня решается

параллельно, на основе различных типов представлений, а окончательный вывод

варианта производится на уровне сопоставления результатов полученных

решений.

Под ПРОЦЕССОМ РЕШЕНИЯ задачи проектирования будем понимать совокупность

последовательно меняющихся состояний задачи, а значит, и моделей объекта

проектирования.

Классификация моделей объекта проектирования позволяет отобразить

предметную сторону структуры процесса проектирования (при реализации по

одному варианту решения и рассмотрении в линейной проекции без учета

возможных итераций).

В этом случае процесс проектирования может быть представлен в следующем

виде:

M(TO)ц ( {Fn - StrM(O)} ( {StrMok (O)} ( {Str Mik(O)} (

( {Str - FnM (O)} ( Str - FnMi(O)G ( SbM'i(O) ( SbMi(O) ( M(O)пр.

-----------------------

Техническое задание

Документация на готовое изделие

Эксплуатация

Изготовление серийной продукции

Рабочий проект

Рабочее проектирование

Технический проект

Изготовление опытного образца

Техническое проектирование

Эскизный проект

Эскизное проектирование

Подготовительный этап

да

нет

да

да

нет

да

Формирование или корректировка ТЗ

Выполнены требования ТЗ

Изменять параметры элементов

Изменять структуру

Синтез варианта структуры

Изменение параметров X

АНАЛИЗ

нет

Выбор исходных значений параметров

IBM-370

DMS-2

DMS-2

DMS-2

DMS-2

. . .

. . .

УС

ГАП

МПК

ПК

ЕС

ПК

М

Т

ПК

Д

ГП

ГД

КЭВМ

МПК

Т

М

ПК

Д

ГП

ГД

КЭВМ

НМД

ОЗУ

НМЛ

РМ

РМ

К

А

Н

А

Л

Процессор мини-ЭВМ

Машинописные и перфоленточные устройства вывода

К

А

Н

А

Л

Другие ЭВМ

Другие САПР

Другие АРМ

Символьная печать

Функциональная клавиатура

Графопостроитель

Кодировщик

Графический дисплей

Символьный дисплей

Накопители на магнитных дисках

Процессор микро-ЭВМ

Накопители на магнитной ленте

Оперативное запоминающее устройство

АРМ1

АРМ3

АРМ2

б)

ЭВМ

РМ

РМ

РМ

а)

ЭВМ ЦВК

ГУС

ИУС

АРМ

ИУС

АРМ

ИУС

АРМ

ИУС

АРМ

...

в)

ЭВМ ЦВК

ГУС

ИУС

АПД

АРМ

ГУС

АПД

ИУС

АРМ

ИУС

АРМ

ИУС

АРМ

ИУС

АРМ

ИУС

АРМ

ИУС

АРМ

ИУС

АРМ

...

г)

а)

б)

. . . .

. . . .

|Тип |Номер узла |

|Номер узла |

0 2 3 31

a b

a b

c d

c d

a b

a b

c d

c d

a b

a b

c d

c d

a)

a b

a b

c d

c d

б)

Минимальный охватывающий прямоугольник

c

a

b

b’

d

yп

yл

yа

y

xл xа xп x

Тактирование

Распараллеливание

Смешанная

Конвеерная

Последовательная

Каскадная

Параллельная

Технических требований

Допусков

Параметров

Параметрическое

Структурное

Композиция

Декомпозиция

Параметричес-кий

Структурный

Идентификация

Преобразова-ние

Параметричес-кая

Структурная

Многовариант-ный

Одновариант-ный

Оптимизация

Синтез

Анализ

Алгоритмов

Параметров

Структуры

Проектные процедуры

Модель объекта проектирования

…

…

Модель подсистемы одной физической природы

Модель подсистемы одной физической природы

Модель компоненты

Модель компоненты

|Модель объекта |

|проектирования |

|Звено 1 | |

|Звено 2 | |

|. | |

|. | |

|. | |

|Звено N | |

|Макромоде| |

|ль 1 | |

|Макромоде| |

|ль 2 | |

|. | |

|. | |

|. | |

|Узел 1 | |

|Узел 2 | |

|. | |

|. | |

|. | |

|Назначени| |

|е | |

|Модель | |

|звена | |

|Имя | |

|Тип | |

|Парамет| |

|р 1 | |

|Парамет| |

|р 2 | |

|Макромо| |

|дель | |

|Имя | |

|Тип | |

|Парамет| |

|р 1 | |

|Парамет| |

|р 2 | |

|Модель | |

|узла | |

|Имя | |

|Тип | |

|Число | |

|входов | |

Имя модели

Тип

Параметр

Параметр

|Прототип |

|модели звена|

|Имя| |

|Тип| |

| | |

Лингвистический процессор

Подсистема логического вывода

Селектор

Интерпретатор

База знаний

Подсистема ревизии знаний

Рабочая память

Входное

сообщение

|Анализ сообщений |

|Морфологиче|Синтаксичес|Семантическ|

|ский |кий |ий |

Внутреннее представление

|Словарь |

|Аффик|Морфо|Синта|Семан|

|сы |ло-ги|к-сис|-тика|

| |я | | |

|Модель предметной|

|области |

|Структур|Структур|

|а данных|а правил|

Программа диалога

Выходящее сообщение

|Набор шаблонов |

|Шаблон входных |

|сообщений |

|Морфологичес|Семантико-си|

|кий |нтаксический|

|Синтез сообщений |

...

...

Рабочая память

Выбор

Сопоставление

Разрешение конфликтов

Изменение рабочей памяти

База знаний

Активный набор данных и правил

Конфликтный набор означенных правил (модулей)

Выбранный означенный модуль

Технологическая операция

Параметры, характеризующие естественный процесс, выбранный в качестве

принципа построения или действия ТО, Хп

Параметры, характеризующие техническую форму реализации естественного

процесса в ТО, Хф

Параметры средств технологического оснащения, Хо

Внутренние свойства ТО

Предмет ТО

Продукт ТО

Zy - условия функционирования ТО

Z(о - свойства предметов ТО

Z((о - свойства предметов ТО

Внешние свойства ТО Y = Yн ( Yу

Среда технологической операции Z = Zy ( Z(о ( Z((о

Страницы: 1, 2, 3, 4