Software & Systems

Термин «прикладная семиотика», его научную интерпретацию и историю его появления автор впервые услышал на пленарном докладе Д.А. Поспелова на конференции «Искусственный интеллект – ХХI век» (Москва, 30.10- 3.11.95). При разработке апарата исчисления моделей в процессах исследовательского проектирования (ИП) сложных объектов в качестве базовой концепции использовалась (см., например, [5]) семиотическая модель [1]. Поэтому вполне естественно, что теперь автор свои теоретико-методологические исследования соотносит с новым научным направлением, названным прикладной семиотикой, точнее, с использованием моделей и методов прикладной семиотики в исследовательском проектировании.

В работах [2,3] концепция прикладной семиотики конкретизируется. При этом, в частности, внимание акцентируется на моделировании структуры, процессов функционирования, поведения, проектирования сложных объектов, не допускающих формального описания. И в [3] подчеркивается, что «прикладная математическая модель представляет собой пару из математической конструкции и текстового (естественно-языкового) описания самого моделируемого объекта и соответствия между элементами и символами математической конструкции и свойствами и характеристиками объекта». И действительно, без такого описания никто, кроме разработчика, не сможет корректно использовать модель для решения конкретных задач. В процессах ИП взаимодействует множество специалистов различных предметных областей, использующих для синтеза-анализа моделей самые разнообразные формальные апараты. Поэтому необходимо создание некого метаинструментария. Такой инструмент макроуровня автор называет исчислением моделей [5-9]. В его рамках создается алгебра и логика текстов и контекстов моделей. И основной целью создания алгебры и логики является обеспечение путей, переходов, мостиков, указателей между различными формальными аппаратами, используемыми в ИП сложных объектов. Графическая интерепретация приведенных соображений предсталена на рисунке 1.

В данной статье рассматриваются принципы построения аппарата исчисления обликов сложных изделий в процессах исследавательского проектирования.

При разработке предлагаемого аппарата использована классическая модель дедуктивных систем [4], ее расширение в форме семиотической модели [1] и исследования [5-9]. Автор понимает неправомерность использования термина исчисление в приложении к семиотическим моделям. Однако представляется удобным все множество моделей облика сложного изделия между его корректировками считать замкнутой системой. И тогда в некоторой степени оправдано применение этой категории для описания операций вывода различных интегральных показателей и агрегированных параметров проектируемого сложного изделия.

Определение и ограничения предметной области исследовательского проектирования

Основные определения и ограничения предметной области ИП введены в [5-9]. Здесь лишь уточним некоторые из них.

Под параметром будем понимать любое формализованное свойство или характеристику проектируемого изделия.

В формализации выделим только два аспекта: идентификацию свойств-параметров (Рi) и области их допустимых значений (Dom Pi). Таким образом, Pi = (Рi, Dom Pi).

Под моделью понимается отношение между любыми параметрами, определенное в произвольной нотации, то есть Mj:Rj (Pj1, Pj2, ..., Pjk).

В моделях выделяют текст (знаковое выражение моделируемого отношения) и контекст (формальное выражение адекватности модели исследуемому объекту, процессу). Вообще очевидно, что итеграция моделей возможна только после приведения их к общему контексту [5,6]. Таким образом, фактически строятся электронные методики определения интегральных показателей, свойств, характеристик сложных изделей: в любой методике (например в [10-12]) всегда можна выделить формальную часть (модельное наполнение) и вербальную – естественно-языковые конструкции обеспечения корректности согласования и совмещения различных моделей.

Рис. 1. Условное представление систем исчислений, используемых в исследовательском проектировании

Отношение Rj может представлять: причинно-следственные зависимости, например при описании процессов функционирования сложного изделия, взаимодействия его агрегатов (в частности в форме функциональных аналитических отношений, дифференциальных уравнений и т.д.); морфологию проектируемого объекта в формате описания его состава и структуры (в частности в виде отношений состоит, включает, содержит и т.п.). Различные формы определения отношения и приводят к необходимости использования разных формальных аппаратов (рис. 1). Однако на практике часто происходит наоборот: проектировщики и конструкторы применяют известные им, апробированные, математические инструменты для синтеза и анализа исследуемых процессов, объектов, явлений. И нецелесообразно вынуждать их изучать и использовать “неродные” для них формализмы. Именно поэтому желательно строить мостики и переходы, а не конверторы и трансляторы отображения одних форматов представления в другие (рис.1).

Обликом в широком смысле (IRD – Image Research Design) будем называть всю систему моделей, анализируемых и синтезируемых в процессах ИП.

Все эти модели строятся на множестве параметров. Поэтому

IRD =

PM,

где P = {Pi}, iI , M = {Mj}, jJ, I – множество индексов всех параметров, J – множество индексов всех моделей.

Под обликом в узком смысле (ITT) будем понимать все множество моделей, необходимых для удовлетворения требованиям тактико-технического задания (ТТЗ).

Вполне очевидно, что всегда I ТТ  IRD. И ITT является предметом и целью ИП.

Достаточность моделей ITT определяется на уровне удовлетворения требованиям оперативного технического задания (ОТЗ). Последнее фактически является макроуровнем по отношению к ТТЗ. И поэтому критерии достаточности определяются именно на уровне ОТЗ.

Структура обликов и соответствующего -пространства

В результате анализа ряда ТТЗ были сделаны следующие выводы.

*        Во-первых, ТТЗ можно рассматривать как определение системы взаимосвязанных моделей сложного изделия, его компонент. При этом все модели можно разделить на четыре класса.

1) Модели типа {Рi , Dom Pi}, в которых описываются ограничения на возможные значения определенных параметров, например: Pi1ai1, ai2Pi2bi2, Pi3[ai3, bi3], Pi4 = {ai41, ai42, ... ai4n} и т.д.

2) Модели типа Rj (Pj1, Pj2, ..Pjk), например: Pi1 = f1(Pj2, Pj3, Pj4) и т.д.

3) Модели, определенные в форме логико-лингвистических зависимостей и даже в вербальном (описательном) формате.

4) Модели, содержащиеся в общеотраслевых руководящих материалах и в апробированых широкоизвестных методиках. В ТТЗ приведены ссылки на них, их можно считать неявными.

Вполне очевидно, с нашей точки зрения, что модели двух последних классов приводятся к первым двум типам.

Таким образом, , где Mj – j-тая модель облика, JI – множество индексов всех моделей.

*       Во-вторых, структура ТТЗ (которую можно уже считать канонической) содержит ряд разделов, в которых описываются различные аспекты сложного изделия. Эти аспекты целесообразно считать подобликами (или субобликами) разных предметных ориентаций. Например, архитектурный облик корабля (назовем его ITTa), или остойчивость корабля (соответственно– ITTo ) и т.д. [10-12]. Таким образом, справедливы отношения:

ITTkITT,, где ITTk – субоблик k-той предметной области, К – множество индексов всех предметных областей сложного изделия, отражаемых в ТТЗ.

Особый интерес представляет анализ связности субобликов, то есть определение моделей пересечения и объединения ITTk для различных k:

или

Заметим, что в качестве  могут использоваться и параметры  или аналогично .

Возможна и дальнейшая детализация облика в соответствии с иерархической многоуровневой структурой ТТЗ.

*        В-третьих, в полной аналогии с методиками в ТТЗ можно выделить модельное наполнение (формализованную часть) и текстовую трактовку и обоснования связности и согласованности моделей. В этом отношении ТТЗ можно считать методикой создания нового сложного изделия. Или (так как оно включает частные (локальные) методики и выступает в роли их интегратора) метаметодикой. Таким образом, необходимо средство интерпретации вербальных обоснований для синтеза замыкания используемых методик (фактически ITT). Эту роль выполняет аппарат алгебры и логики текстов и контекстов моделей. Только в данном случае в качестве локальных моделей выступают отдельные методики (субоблика). И анализ контекстов методик обеспечивает обоснование синтеза ITT, заключения его в целостностную оболочку . Можно считать, что здесь этот аппарат поддерживает наведение мостиков и переходов между различными ITTk, мотивируя целостность и целесообразность построения .

Таким образом, алгебра и логика текстов и контекстов моделей работает на трех уровнях анализа и синтеза локальных моделей, методик, обликов изделий (в целом).

*        В-четвертых, в ТТЗ [5-9] в основном определяются агрегированные, обобщенные, интегрированные показатели свойств и характеристики (параметры и модели) сложных изделий. И поэтому фактически процессы и операции ИП проводятся с целью обоснования целостности, непротиворечивости, сбалансированности, полноты моделей в ITT, то есть для осуществления отображения IRDITT. При этом в ITT определяется несколько альтернативных вариантов сложного изделия.

Далее на этапах эскизного проектирования их число сокращается, а оставшиеся варианты детализируются, то есть ITT, с одной стороны, сужается, с другой – расширяется, увеличивается степень проработки обобщенных и агрегированных моделей. Затем следует технический проект (ТП) и, наконец, рабочий проект (РП). На этапах ТП и РП рассматривается уже только один вариант, но разработанный с максимальной детализацией.

Схема транформации обликов сложных изделий в процессе их ЖЦ представлена на рисунке 2. Проектирование начинается со словесной формулировки целей создания сложного объекта ( государственного или социального заказа). Это первый формат представления его облика (чаще всего вообще не содержащий формальной части). Далее форма его определения, существования (формат представления) постепенно изменяется: цели отбражаются в функции и структуру, архитектуру сложного объекта и т.д. Критическими точками, разделяющими фазы его ЖЦ, являются процессы экспертизы (рис.2). В результате их приведения облик может быть возвращен на предыдущие фазы его разработки или пропущен дальше. В конце ЖЦ облик фактически трансформируется в созданное сложное изделие и как таковой перестает существовать. Теперь он представляет интерес для исследователей и проектировщиков новых изделий.

В [6] вводится понятие модельно-параметрического пространства. Под ним фактически понимается IRD. Обозначается оно , и в [7] рассматриваются его структура и свойства. Вполне очевидно, что облики и их компоненты также определятся в -пространстве и образуют в нем соответствующие структуры моделей и параметров и отношения между ними.

Операции в -пространстве

Представляется целесообразным выделить пять типов операций, производимых над моделями и/или параметрами -пространства при синтезе и анализе обликов сложного изделия.

Первые две операции – теоретико-множественные: объединение и пересечение обликов (субобликов).

Рис. 2. Схема трансформации обликов сложных изделий в их жизненном цикле

 Операцию объединения («È») можно трактовать как интеграцию знаний соответствующих конструкторов (проектировщиков, исследователей) сложного изделия, например специалистов в областях проектирования силовой установки, строительной механики, остойчивости корабля. Эта операция является основой редуцирования, агрегирования, адаптации [10] -пространства проектируемого объекта.

С помощью этой операции также производится интеграция различных обликов с целью получения обобщенных характеристик и свойств однотипных изделий.

2) Но объединение каких-либо фрагментов -пространства можно производить только после определения общего поля знаний соответствующих точек зрения специалистов на создаваемое изделие. С этой целью проводится операция пересечения («Ç») обликов (субобликов). Ее результатом являются общие модели и параметры, которые исследуются и создаются в различных предметных областях.

Следующие две операции предназначены для формирования субобликов (или других более детальных фрагментов ) из обликов.

3) Операция реляционной алгебры проекция обеспечивает снижение размерности -пространства обликов. Исследователь определяет значения параметров, фиксируя их, и соответствующие модели становятся зависимыми от меньшего числа переменных

4) Специальная операция абстрагирования предоставляет возможность проектров-щику на основании только ему известных соображений рассматривать некоторые модели (формировать соответствующие субоблики), отбрасывая несущественные, незначащие, неинформативные параметры и модели.

5) Обычно в дедуктивной системе базовые элементы (алфавиты и переменные исчисления), аксиомы и правила вывода [4] фиксированы. Однако ввиду открытости -пространства (в данном случае) предполагаются возможности: ввода новых моделей, параметров в систему, их трансформации, удаления (ставших некорректными) моделей и параметров, динамического изменения правил интерпретации их. Поэтому необходим специальный класс операций реструктуризации -пространства обликов. В этом классе выделим процедуры: реструктуризации (ввода, удаления, изменения) моделей и реструктуризации фрагментов -пространства.

Принципы построения исчисления обликов

Под исчислением обликов сложных изделий будем понимать систему

S = <(M,P), АМР, П, ПМР, ПА>,

где (M,P) – модельно-параметрический базис синтеза-анализа обликов ((M,P) Ì );

АМР – модели и параметры (аксиомы);

П – система правил (процедур) построения обликов;

ПМР – система процедур трансформации (M, P)-пространства (базиса);

ПА – система процедур корректировки моделей-аксиом и параметров- аксиом.

Заметим, что в классической семиотической системе выделяют [1] восемь компонент. В данном случае мы исключили три компоненты исходя из следующих соображений.

 Систему правил проверки семантической корректности обликов представляется целесообразным разделить на два множества. Первое множество правил, которое является алгоритмизируемым, мы объединяем с системой П. Таким образом, система П представляет собой правила синтаксически-семантического вывода обликов. Второе множество, по-сути являющееся экспертной системой вывода, остается в ведении исследователя. И именно он принимает окончательное решение о семантической корректности каждого построенного системой облика (субоблика).

2) В процессе развития науки, техники, технологии система П, естественно, трансформируется. Но строить некоторую метасистему ее редактирования (по-сути эволюции мира) не представляется возможным.

3) Это в равной степени относится к трансформации как синтаксического вывода, так и семантического.

· Элементы -пространства и базиса мы считаем неделимыми. На них с помощью системы П строятся различные структурные целостности – облики, методики, интегрированные модели и т.п. [5-9].

Некоторые модели, параметры и, быть может, целые субоблики мы считаем аксиомами АМР, поскольку они вводятся в систему из различных монографий, отчетов, руководящих материалов, и их корректность не анализируется.

· Система процедур П (см. предыдущий раздел, операции 1-4), используя различные правила вывода (управляемого при необходимости исследователем), обеспечивает формирование в -пространстве некоторых обликов, субобликов и других фрагментов в интересах синтеза-анализа облика ITT.

· Система процедур ПМР трансформации -пространства обеспечивает его реструктризацию в процессах ИП.

· Система ПА предназначена для корректировки аксиоматической компоненты S.

Последние две системы фактически переводят аппарат исчисления обликов из ранга формальных систем в ранг семиотических. Но мы считаем, что процедуры ПМР и ПА в основном работают после выявления каких-либо некорретностей в облике ITT. И между этими процессами редактирования систему S (и, соответветственно ITT) можно считать замкнутой, дедуктивной (аксиоматической). И тогда правомерно использовать термин исчисление. Быть может, целесообразно ввести термин квазиисчисление или псевдоисчисление по аналогии с квазиаксиоматическими теориями [13] или псевдофизическими логиками [1]. А систему S можно трактовать как последовательность (развивающуюся во времени) формальных систем ITT.

Рис. 3. Условное представление жизненного цикла формальной системы в рамках семиотической модели

В причинах (факторах) необходимости проведения транформации (с использованием средств ПМР и ПА) выделяются внутренние и внешние.

¨ К внешним факторам относятся: появление новых теорий, методов, алгоритмов, порождающих новые модели, и интерпретации, методики, технологии создания новых изделий, открытия, изобретения в предметных областях, имеющих отношение к проектируемому объекту, и т.п. Внешними эти причины названы потому, что появление новых моделей (соответствующих свойств и характеристик) не связано с процессами создания данного изделий. Поэтому их можно учитывать и неучитывать. В зависимости от уровня проработки проектных решений – фазы ЖЦ облика (см. рис.2) – и степени влияния на эффективность процессов создания и эксплутации проектируемого изделия осуществляется (или нет) соответствующая транформация (M,P) и ITT.

Эти факторы можно разделить на два класса: появление новых теорий и методов, создание новых артефактов (агрегатов, узлов, деталей). Заметим, что в последнем случае должны быть сначала разработаны соответствующие модели.

¨ Внутренними причинами необходимости преобразования (М,Р) и ITT названы выявления противоречий, неполноты, некорректности, несоответствия, несовместимости моделей, параметров, методик, субобликов в ITT и (М,Р). В отличие от предыдущего в этом случае всегда производится трансформация ITT и (М,Р).

Внутренные факторы необходимости преобразования также делятся на два класса: выявление противоречий, неполноты и т.п. в ITT и (М,Р) в процессах осуществления различных фаз создания сложного изделия (ИП, ЭП, ТП, РП (см.рис.2)) и на этапах экспертиз облика. Разница между ними заключается в том, что в последнем случае трансформация может производится с возвратом на предыдущие фазы ЖЦ. Это зависит от степени (тяжести) определенных некорректностей (в данном случае – от ошибок проектировщиков, конструкторов, исследователей).

Таким образом, условно внешние факторы можно считать позитивными, а внутренние –негативными.

На рисунке 3 дана графическая интерпретация жизненного цикла формальной системы в рамках семиотической модели (ср. рис.2). Примечательно, что иллюстрация, представле- нная на рисунке 3, строилась до известного доклада Д.А.Поспелова, но оказалась почти полной копией одного из слайдов, показанного на конференции «Искусственный интелект - ХХI век», для трактовки ЖЦ семиотической модели.

В заключение следует отметить, что в настоящее время в Институте Кибернетики НАН Украины начата научно-исследовательская работа по созданию аппарата исчисления обликов сложных изделий, в основу которого положены некоторые концепции, изложенные в статье. Посредством этого аппарата предполагается: оценивать связность, целостность, целесообразность, полноту, непротиворечивость -пространства; анализировать соответствие облика -пространства исходным требованиям (социального или государственного заказа); исследовать корректность и сбалансированность обликов, субобликов, их совместимость; синтезировать обобщенные облики, интегрированные поля знаний конструкторов, проектировщиков.

Список литературы

1. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. – М.: Наука,1986. – 288 с.

2. Поспелов Д.А. Прикладная семиотика и искусственный интеллект // Программные продукты и системы. – 1996, №3. – с.10-13.

3. Эрлих А.И. Прикладная семиотика – новые возможности моделирования в системах управления // Cб. научн. тр. V Национальной конф. с международ. участием: Искусственный интеллект-96 (КИИ-96). – в 3 томах. – Казань, 1996. – с.486-493.

4. Маслов С.Ю. Теория дедуктивных систем и ее применения. – М.: Радио и связь, 1986.– 136 с.

5. Валькман Ю.Р. Основные концепции построения аппарата исчисления моделей в исследовательском проектировании сложных объектов // Национальная конф. с международ. участием: Искусственный интеллект-94 (КИИ-94). – Рыбинск, 1994. – с. 255-262.

6. Валькман Ю.Р. Модельно-параметрическое пространство в исследовательском проектировании: цели построения, определения, структура и свойства // Вопросы когнитивно-информационной поддержки постановки и решения новых научных проблем. – К.: Институт кибернетики НАН Украины, 1995, – с. 103-115.

7. Валькман Ю.Р. Модельно-параметрическое пространство – представление знаний об исследуемых процессах и объектах // Сб. научн. тр. V Национальной конф. с международ. участием: Искусственный интеллект-96 (КИИ-96). в 3 томах, Казань. – 1996. – с.229-304.

8. Валькман Ю.Р. Исчисление моделей–основа интеллектуализиции процессов исследовательского проектирования // Программные продукты и системы, 1995. – №4. – с.18-23.

9. Valkman Y. Model calculus in concurrent engineering of complex products.// Proc. IMACS Multiconference «Computational Engineering in Systems Applications» (CESA`96), Lille-France, July 9-12,1996, – p.909-914.

10. Захаров И.Г. Современные проблемы автоматизации в области военного кораблестроения // Программные продукты и системы, 1993. – №4. – с. 3-5.

11. Попов Г.И., Захаров И.Г. Теория и методы проектирования корабля. – Л.: ВМА, 1985.

12. Худяков Л.Ю. Исследовательское проектирование кораблей. – Л.: Судостроение. – 1980.

13. Финн В.К. Рассуждения и интеллектуальные системы // Программные продукты и системы, 1991. – №2. – с.35-39.