Software & Systems

Совокупность методологий проектирования и сопровождения сложных дискретных систем (СДС) на всем жизненном цикле (CASE-технологии) получили широкое распространение на рынке информационных технологий [1-4]. В частности, широкое использование нашли методы IDEF, которые для описания предметной области используют графические языки типа блок-схем.

Методы IDEF0 и IDEF1, предназначенные для построения функциональных и информационных моделей системы, соответственно стали стандартами для этапов анализа и проектирования систем. Используя IDEF0, аналитики исследуют функциональную структуру СДС, являющуюся основой для построения всех остальных структур, таких как информационная, алгоритмическая, структура аппаратных средств управления и др. [5, 6]. При проектировании новой системы модель IDEF0 служит изложением требований (спецификацией) для функций системы независимо от степени ее автоматизации [7, 8].

Рис. 1. Анализ функциональной структуры в IDEF0

Методы CASE-технологии при всех их достоинствах имеют серьезный недостаток – они представляют статическую картину объекта (его функций, информационных потоков, состояний). Попытки изменить эту ситуацию привели, в частности, к созданию метода IDEF/CPN, использующего технологию цветных сетей Петри, и к ряду других подобных методов [9-11]. Однако IDEF/CPN присущи все недостатки аппарата сетей Петри: большая сложность создания и анализа сети для реальной системы, трудность моделирования принятия решений и логики управления, сложность интерпретации результатов моделирования. Кроме того, в процессе анализа появляется еще одна (после IDEF0) искусственная схема.

Имитационное моделирование предназначено для анализа динамики моделируемых объектов. Оно является эффективным инструментом, дающим возможность выполнять анализ даже в тех случаях, когда все другие методы не работают [12-15]. В процессе имитации могут быть получены все временные характеристики системы. Важным является присутствие в имитационной модели (ИМ) системы управления, соответствующей используемой в моделируемом объекте.

В настоящей статье предложена методология и программная система для анализа СДС, основанная на имитации функциональных структур, представленных IDEF0-диаграммами. В качестве инструмента для имитации используется РДО-имитатор, представляющий собой среду для создания ИМ на принципах искусственного интеллекта [16, 17]. При таком подходе IDEF0-диаграммы, создаваемые при разработке СДС, помимо их обычного назначения, используются для автоматизированного создания ИМ. Тем самым обеспечивается непрерывность анализа и уменьшение потерь информации и вероятности ошибок.

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ СЛОЖНОЙ СИСТЕМЫ

Метод IDEF0 базируется на графическом отображении функционального содержания СДС, включая идентификацию элементов объекта, а также информацию о компонентах, объединяющих его функции. Процесс анализа условно представлен на рисунке 1. Метод не предназначен для детального проектирования СДС, так как не содержит конструкций, необходимых для проектирования, то есть отображающих последовательности действий, выбор пути и т.п. Результатом анализа являются данные о статической картине функций объекта – документы, состав информации, используемые механизмы и т.п.

Рассмотрим построение диаграмм IDEF0 для формализации функциональной структуры автоматизированного участка разделки бревен на пилоблоки, из которых в дальнейшем выпиливаются балки и брус. Участок реализует прием, измерение и распилку бревен, при этом решаются задачи выполнения имеющихся заказов, оптимизации использования материала, складирования и другие. На рисунке 2 представлена диаграмма первого уровня декомпозиции функциональной структуры – диаграмма А0, содержащая основные функции, выполняемые на участке, которые следуют из анализа его работы [18, 19].

Представленная IDEF0-диаграмма позволяет наглядно показать взаимосвязи элементов участка в процессе его функционирования, определить состав информации. Однако она не содержит динамической составляющей и не позволяет провести анализ характеристик, связанных со временем, – коэффициентов использования оборудования, производительности, временных задержек при выполнении заказов и т.п.

ИМИТАЦИОННЫЙ ПОДХОД НА ОСНОВЕ РДО-МЕТОДА

Имитация обеспечивает аналитика инструментом всестороннего исследования динамики моделируемой системы на ЭВМ (рис. 3). Результатом служат статистические данные, по которым определяются занятость ресурсов, время выполнения различных действий, временные задержки, данные о материальных потоках в сиcтеме и т.п.

При реализации описываемой методологии и программной системы используется интеллектуальная программная среда – РДО-имитатор, находящий применение для описания и моделирования СДС, построения систем управления, разработки гибридных систем и др. [16,17].

Модель СДС в РДО-методе представляет собой динамическую продукционную систему. Ее базу данных составляет множество ресурсов объекта, базу знаний – множество операций, выполняемых ресурсами. Адаптация к конкретному моделируемому объекту заключается в формализованном описании ресурсов и операций на языке РДО и введении их в базы знаний и данных.

Для моделирования динамики СДС на основе знаний в РДО применяются модифицированные продукционные правила вида:

ЕСЛИ (условие) ТО (событие 1) ЖДАТЬ Dt ТО (событие 2).

Рис. 2. Пример IDEF0-диаграммы первого уровня для участка разделки бревен

События 1 и 2 представляют собой события начала и окончания некоторого действия, имеющего временную протяженность Dt. Протяженность действия зависит от состояния ресурсов моделируемой системы. Действие может прерываться другими действиями (главным образом случайными событиями). С модифицированными продукционными правилами работает механизм логического вывода, позволяющий построить модель процесса и формализовать принятие и оптимизацию решений.

В РДО-методе можно указать взаимно однозначное отображение реальной системы в ее информационное представление. Основным составляющим системы, каковыми являются ее элементы, процесс, законы функционирования, соответствуют следующие информационные объекты: ресурсы, действия и нерегулярные события, операции (рис. 4).

Язык РДО работает с типами ресурсов, ресурсами, образцами операций и операциями. Он также позволяет описывать показатели функционирования, которые требуются исследователю, и анимационные кадры. РДО благодаря своей гибкости позволяет описать на основе единого универсального подхода как принятие решений, так и их взаимодействия.

Описание типа ресурса в РДО имеет следующий формат:

$Resource_type <type name> : <kind of resources>

$Parameters

           <description of a parameter>

           . . .

           <description of a parameter>

$End

Описание параметра ресурса, в свою очередь, имеет формат:

Рис. 3. Условная схема имитационного исследования СДС

<parameter’s name> : <parameter’s type> [ = <default value> ]

Наиболее сложным объектом в РДО являются образцы операций, которые представляют собой знания в форме модифицированных и простых продукционных правил. Образцы описывают закономерности взаимодействия ресурсов моделируемой системы в процессе ее функционирования. Синтаксис описания образца следующий:

$Pattern <pattern’s name> : <pattern’s type> [ trace ¦ no_trace ]

$Parameters

     <description of the parameters of the pattern>

$Relevant_resources

     <description of the relevant resources of the pattern>

$Time =    <time expression>

$Body

     <pattern’s body>

$End

Тело образца имеет формат:

Рис. 4. Представление СДС в РДО

     <relevant resource’s name> <rule of using>

     . . .

     <relevant resource’s name> <rule of using>

Где правило использование представляет собой конверторы параметров ресурсов, используемых в образце в начале и при завершении действия:

     <precondition> [ Convert_begin <converter> ][ Convert_end <converter>]

ИМИТАЦИЯ IDEF0-ДИАГРАММЫ

Предлагаемая методология моделирования условно представлена на рисунке 5. Здесь имеют место два преобразования исходного описания производственной системы. Первое – разработка функциональной структуры с использованием методологии IDEF0. Второе – преобразование IDEF-модели в ИМ на РДО.

Рис. 5. Условная схема имитации функциональной структуры СДС

Так как количество формализмов, используемых в IDEF0, весьма ограниченно и все они стандартизированы, то содержащиеся в них знания о моделируемой системе уже приведены в некоторую систему представления. Поэтому можно сделать предположение о возможности относительно простого отображения функционального описания в формализмы РДО (Преобразование 3 на рис. 5). В то же время отсутствие на диаграммах информации о временах и параметрах, описывающих состояние элементов системы, объясняет необходимость получения недостающей информации с помощью интерактивного интерфейса ЭВМ–человек в этом процессе перевода.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ IDEF0-ДИАГРАММЫ В ОБЪЕКТЫ РДО-МОДЕЛИ

Рассмотрим, как можно в автоматизированном режиме получить РДО-модель, имитирующую динамику функциональной схемы, составленной в IDEF0. Предполагается, что вся IDEF0-диаграмма находится на одном уровне, то есть на ней нет декомпозированных блоков. Это можно обеспечить, рассматривая все блоки последних уровней диаграмм, то есть преобразовав отчет по созданию IDEF0-диаграмм.

Сначала в соответствии с требованиями РДО составляется список всех типов ресурсов, используемых в модели. Этот список в точности повторяет название всех стрелок в IDEF0. При этом отслеживается отсутствие названий или повторяющиеся названия у стрелок и функций IDEF0-диаграммы. Разветвляющиеся стрелки представляются одним типом ресурса.

Типы ресурсов, соответствующие стрелкам входа, выхода и управления являются временными. Список и тип параметров каждого типа ресурсов составляется пользователем в диалоге. Кроме того, для временных ресурсов автоматически создается параметр целого типа "Номер", который имеет уникальное значение для каждого ресурса этого типа. Значение этого параметра служит для идентификации ресурса в РДО-модели. Также автоматически добавляются параметры, отображающие, в какие блоки IDEF0-диаграммы входит данная стрелка (по одному на каждый блок). Эти параметры являются флагами, которые служат для запрещения использования одного и того же ресурса в нескольких блоках одновременно.

Таким образом, для рассматриваемых стрелок диаграммы автоматически создаются типы ресурсов. Для примера на рисунке 2, после добавления пользователем необходимых ему параметров создается следующая запись в файле типов ресурсов:

$Resource_type Бревна _t : temporary

$Parameters

     Длина : integer [0..2400]

     Диаметр_б [0..720

     Диаметр_м [0..720]

     Вид_древесины [хвойная, лиственная]

     Класс [1..3]

     Номер : integer

     Бревна_f_A11 : integer[0..1] = 0

 $End

Отдельно рассматриваются временные ресурсы, соответствующие стрелкам управления в IDEF0. Кроме номера и флагов, к ним автоматически приписывается дополнительный параметр, являющийся маркером. Имя этого параметра образуется из имени типа с добавлением "_m". Маркер может принимать значение 1 или 0, что соответствует разрешению и запрещению выполнения данной операции (IDEF0-функции):

$Resource_type Включение_конвейера_t : temporary

$Parameters

     Включение_конвейера_m : integer

     . . .

$End

Ресурсы, соответствующие механизмам в IDEF0, имеют постоянный тип. Для них автоматически создается параметр “Занятость”. Например:

$Resource_type Вилочный_погрузчик_trp : permanent

$Parameters

     Занятость : integer

$End

После создания файла типов ресурсов создается файл ресурсов. В нем всем параметрам постоянных ресурсов присваиваются начальные значения. Автоматически созданным параметрам начальные значения присваиваются так же автоматически.

Образцы операций соответствуют так называемым рабочим функциям IDEF0, то есть тем, которые недекомпозированы. Кроме того, необходимо наличие образцов связи модели с внешней средой. Это нерегулярные события, которые генерируют входной поток ресурсов (участвует оператор) и правила, обеспечивающие уход из модели "готовой продукции" (правило уничтожения выходных ресурсов генерируется автоматически). Также необходимо уничтожать все временные ресурсы с одним идентификатором, если маркер управления принимает значение 0.

Образцы формируются автоматически в той части, которая связана со структурой IDEF0-диаграммы и с автоматически сгенерированными параметрами ресурсов. Множество релевантных ресурсов образца создается автоматически по списку стрелок, входящих в соответствующий блок (функцию). Для каждого флага в параметрах релевантных ресурсов создается соответствующая часть предусловия образца. Например:

Choice from

           Бревна.Бревна_f_A11= 0

Если в релевантном ресурсе присутствует несколько флагов, то условия их равенства нулю объединяются операцией логического умножения "И". Этим удается избежать преждевременного удаления ресурса и использования одного и того же ресурса дважды.

Для проверки разрешения выполнения операции по управлению для каждого маркера релевантного ресурса, соответствующего управлению, в образце операции автоматически генерируется предусловие вида:

Choice from

 Включение_конвейера.Включение_конвейера_m = 1

Для механизмов, инцидентных блоку IDEF0-диаграммы, пользователь устанавливает начальное значение параметра “Занятость”, соответствующее общему количеству оборудования данного типа (по умолчанию оно равно 1). В образце автоматически вводится проверка на наличие свободного оборудования. Затем вводятся конверторы, в которых при занятии этого оборудования параметр Занятость уменьшается на 1, а после освобождения увеличивается на 1. Например:

Вилочный_погрузчик

     Choice from [Вилочный_погрузчик.Занятость > 0]

     first

     Convert_begin

     Занятость set Вилочный_погрузчик.Занятость - 1

     Convert_end

     Занятость set Вилочный_погрузчик.Занятость + 1

В образце пользователь должен задать правила вычисления новых значений для всех параметров, введенных им в соответствующие релевантные ресурсы. Для каждой операции у пользователя запрашивается функция времени выполнения операции.

Из приведенного алгоритма видно, что минимальная ИМ IDEF0-диаграммы может быть получена автоматически. Она представляет основу для дальнейшей детализации (если она требуется), гарантирует правильность отражения IDEF0-диаграммы и может служить для проведения первых исследований динамики СДС. Добавляя в эту модель новые параметры ресурсов и описывая правила определения их новых значений при выполнении функций-операций, пользователь может получить детальную модель динамики системы.

Помимо использования для построения ИМ IDEF0-диаграмм, созданных разработчиками СДС на ранних этапах проектирования, в программной системе реализован IDEF0-подобный интерфейс для создания функциональных диаграмм СДС при разработке ИМ. В отличие от IDEF0-диаграммы объекты этих диаграмм несут дополнительную информацию для РДО-имитатора.

Рассмотренная методология анализа статических и динамических характеристик СДС обеспечивает проведение всесторонних исследований, проектирования и сопровождения. Она базируется на комплексном использовании CASE-технологий и имитационного моделирования, взаимодополняющих друг друга. Пользователь получает новые возможности, повышающие эффективность его деятельности.

Программно реализован автоматизированный перевод IDEF0-диаграммы СДС в ИМ на РДО и непосредственное создание IDEF0-диаграмм для моделируемой СДС. Создание модели связано с разработкой базы знаний в интеллектуальной моделирующей среде РДО. Знания получаются как из IDEF0-диаграммы, так из диалога с экспертом.

Список литературы

1. Ang C.L., Luo M., Gay R.K.L. Automatic generation of IDEF0 models, //Journal of Intelligent Manufacturing, - vol. 5. - 1994. - p.79-92.

2. Fisher A.S. CASE: Using Software Development Tools. - J.Wiley&Sons Inc., New York, 1988.

3. McClur C. The CASE Experience //BYTE, 1989. - April. - p.235-245.

4. Gibson M.L. The CASE //BYTE, 1989. - April. - p.235-245.

5. Design/IDEF. Users Manual for the IBM PC and Close Compatibles //Meta Software, 1992.

6. DeMarco D., McGoman C. SADT: Structured analysis and design technique. - MeGraw Hill, 1988.

7. Colquhoun G.J., Baines R.W., Crossley E. A state of the art review of IDEF0 //International Journal of Computer Integrated Manufacturing, July-August 1993. - vol.6. - №4. - p.252-264.

8. Schulman A. A. Defferent Kind of CASE Tool //BYTE, 1989. - May. - p.217-220.

9. Roboam M., Zanetin M., Pun L. GRAI-IDEF-MERISE (GIM) Integrated methodology to analyse and design manufacturing systems //Computer Integrated Manufacturing Systems. - 1989. - vol.2. - №2, May.

10. Hilt B., Mhamedi A.El C. Noagiu Information flows modelling approach using SADT and Petri Nets //4-th Int. Confr. on Factory 2000. - University of York, UK 3-5 October, 1994.

11. Grunenberger E., Chaput L., Enfrein D., Gosseaume O., Longepee S., Proust C. An operational methodology for production systems control design using an SADT-like functional analysis and an object modelling methodology: PC Code //Proc. of IEPM’95. - vol.1, April 1995. - Marrakech, Morocco. - p.156-170.

12. Pierreval H., Ralambrondrainy H. A simulation and learning technique for generating knowledge about manufacturing systems behavior //Journal of Operational Research Society. - Vol. 41. - P.461-474.

13. Wu S.Y.D., Wysk R.A. An application of discrete-event simulation to on-line control and scheduling in flexible manufacturing // International Journal of Production Research. Vol. 27. - p.1603-1623.

14. Belmahdi N., Nadif A. Study of the production system aiming at its modelling and simulation //Proc. of IEPM’95, vol.1, April 1995. Marrakech, Morocco. - p.97-107.

15. Hill D.R.C. Object-oriented analysis and simulation. Addison-Wesley Pub. Com. Inc.1996.

16. Emelyanov V., Ovsyannikov M. and Yasinovsky S. An AI-based method and tool for discrete manufacturing systems simulation and real-time control //Proc. of IEPM’95, vol.1, April 1995. Marrakech, Morocco. - p.322-332.

17. Емельянов В.В., Ясиновский С.И. Продукционный имитатор производственных систем и процессов //Вестник машиностроения. - 1992. - №5. - с.41-44.

18. Emelianov V., Yasinovsky S., Shtautmaster T. Simulation of a trank cutting up cell with a cut optimization complex discrete systems and processes //Proc. XXII Int.school and conference on computer aided design “CAD-95”. New information techno-logies applications in science, education, medicine and business. Yalta-Gurzuff. -1995. Part2. p.195.

19. Shtautmaster T., Emelianov V., Yasinovsky S. Simulation model of a trank cutting up cell of “Heidelberger Holzverarbeitung GmbH”, Technical Report. - Moscow State Bauman University of Technology, INNOTECH Holztechnologien GmbH, Berlin, 1995.