Программные продукты и системы

Экспертные системы (ЭС) работают обычно с правилами и нечисловыми данными [1,2]. При использовании инженерных и экономических моделей принимать решения в условиях неопределенности приходится по числовым данным. Предлагается использовать в этих случаях, в частности при моделировании затрат-потерь и распределении ресурсов, графические образы знаний-фактов, полученных на моделях [3,4].

Проектные решения требуют затрат (3) средств Q3 и времени Тз. Если их не делать, то качество проекта снижается, и возможны потери (П) средств Qn и времени Тп. Например, легковой автомобиль, по данным фирм США и Японии, отрабатывается на 20.000 параметров, и важно правильно распределить деньги и время на средства измерений, управляющие и корректирующие воздействия, стенды н испытания [3]. Задача распределения ресурсов (РР) средств Qp и времени Тр на проектные решения сводится к задаче целочисленного программирования. Но она имеет громадную размерность и не решается строгими методами, так как имеет три критерия: нужно минимизировать затраты средств и времени и максимизировать показатель качества проекта — отношение числа принятых решений о выделении ресурсов к общему числу "заявок". Задачу может решить математик, умело меняя местами ограничения и критерии, но не специалист-пользователь. Последнему необходимы информационная технология и консультант - ЭС.

Постановка задачи. Ставилась задача создать систему для методической, интеллектуальной, лингвистической и программной поддержки задачи распределения ресурсов (СПЗРР) на проектные решения, позволяющую самому пользователю:

-     решать с использованием графических образов (ГО) задачу РР;

-     включать в систему программы-модели для вычисления затрат-потерь (ЗП) по различным компонентам проекта;

-     вводить исходные данные для моделей с экранных форм (ЭФ);

-     моделировать ЗП для получения новых знаний-фактов;

-     накапливать результаты в базе данных (БД).

В системе необходимо: согласовать вычислительные и информационные модели, ГО и ЭС; решить вопросы взаимосвязи моделей и файлов, форматы данных логических н алгоритмических языков программирования.

Ресурсы расходуются как на затраты, так и на устранение потерь. Проектные решения принимают по объекту К с классами (элементами) К1, К2,...,Кп. В свою очередь в каждом из классов Ki, i = l,n могут быть подклассы Kil, Ki2,.. Для каждого из классов Ki, i=l,n и его компонент существуют модели Fi, i = l,n, позволяющие вычислять:

-     максимальные затраты средств Qai и времени Tsi;

-     максимальные потери средств Qni и времени Tni.

Пример.

При моделировании ЗП в доводочных испытаниях машин выделены классы: Y-измерения, Z-коррекции, U-управления, W-стенды, Н-испытания. Для примера приведем модель затрат на оснащение Q и потерь средств Q и времени Т на восстановление машины после отказов из-за от-сутствия1¥контроля параметров Т:

Q = E С D .,

ЗУ                       У1 Л

Т = t К Е К R (1-D );

пу                      no              yj ур и

О = q К Е К R (1-D .)+ С Т , ^пу       по yj yj л     пр пу

где: j = l,m; q,t-3aTpaTbi средств и времени на восстановление машины; С -стоимость измерительной схемы; С - стоимость часа простоя в обработке; m — число контролируемых параметров

Y; К - коэффициент повторяемости отказов элемента; К , R . - признак и значимость опасности параметра Y; D - отношение (1, 0) для параметра Y, показывающее контролируется он или нет. Соответствующие выражения составлены и для классов Z, U, W, Н.

Принятие решений по графическим образам. Инвариантное ядро СПЗРР составляет ЭС, в которой вместо ответов ДА/НЕТ на правила выбираются решения по предъявлению в реальном масштабе графических образов (рисунков) по знаниям-фактам, полученным на моделях ЗП.

Пользователь последовательно просматривает рисунки (рис.1), по которым выбирает следующие стратегии действий или решения о распределении ресурсов Qp и Тр в зависимости от соотношения 3, П и Р:

рис.],а - 1) Qp и Тр хватает; 2) Qp и Тр не хватает - распределить Qp на классы, максимально снижая Qn и Тп; 3) Тр не хватает — распределить Qp, снижая Тп; 4) Qp не хватает — распределить Qp, снижая Qn;

рис. 1,6 - в областях (0,А1,А5,А4) и (0,А2,А6,А1) проблем с ПР не существует, ибо ресурсов хватает или затраты Q3 сводят потери Qn к нулю; в области (А1,А6,А5) ресурсов Qp на все затраты Q3 не хватает, и нужно распределить их на классы и компоненты, у которых Qin>Qis; рис.1,в - в области (А1,А6,АЗ) предпосылки оптимизации хорошие; на линии равных ЗП (А1.АЗ) -средние; в области (А1,А5,АЗ) - плохие;

рис.1,г - по классам (координаты Qn-Q3) К1,К2 и К5 выше линии равных ЗП можно достичь эффекта при затратах Qa; по классам К4,КЗ ниже линии равных ЗП нельзя достичь эффекта; присваивает классам ранги по величине угла наклона линий: 1-К1, 2-К5, 3-К2;

рис.1,д - внутри класса (координаты Qn-Q3) no компонентам Kil, KI3 и Ki4 выше линии Qn = Q3 можно достичь эффекта при затратах Q3, если они не больше Qp; по компонентам Ki2,K15 и Ki6 ниже линии Qn = Q3 нельзя достичь эффекта при затратах Q3; присваивает компонентам ранги по величине угла наклона линий: 1-K.il, 2-Ki3 и 3-KI4;

рис.1,е - по классам (координаты Tn-Q3) по величине угла наклона линий устанавливает ранги: 1-Kl, 2-K5, 3-К2, 4-К4, 5-КЗ;

рис.1,и — внутри класса (координаты Tn-Qs) по величине угла наклона линий устанавливает ранги: 1-Kil, 2-Ki3, 3-Ki3, 4-KI4, 5-KJ5;

Для принятия решения о снижении потерь средств Qn и времени Тп по классам специалист действует следующим образом: анализирует на ЭФ ранги по потерям средств Qn и времени Тп для классов (рис.1,г,е), а внутри класса - по компонентам (рис.1,д,и), устанавливает окончательно очередность выделения ресурсов на классы и компоненты; присваивает классам или компонентам отношения 1 или 0 в порядке очередности и следит по ЭФ за оставшимися ресурсами. Рисунки, поля для задания рангов и отношений, вычисляемые поля для ресурсов, затрат и потерь находятся в соответствующих случаях на одной ЭФ.

Обратим внимание, что по рисункам в реальном масштабе представления Р,3 и П практически безошибочно принимается решение. Не меньшее значение имеет тот факт, что специалисту видно, как много не хватает рисунков, насколько объект близок к линиям равных затрат-потерь Qn = Q3 и ресурсов Qp и насколько объекты близки друг к другу. В случае правил для ответа на эти вопросы пришлось бы вводить несколько градаций для Т и Q, что во много раз увеличило бы число правил и сделало решения менее отчетливыми.

Технология. При реализации ЭФ следует ниже графической части (рис.1,г-и) расположить два меню для указания принятого решения. Первое меню для добавления или исключения классов (компонент) из графической части рисунка. Тем самым с графика можно убрать классы, которые мешают (вследствие малой или большой величины их координат или их близости) рассмотреть положение других классов. Для этого следует установить курсор на соответствующее поле и изменить параметр класса 1 на 0, если хотите его исключить, или 0 на 1, если хотите включить, и нажать клавишу F10. Масштабы координатных осей и положение классов на графике должны пересчитываться автоматически. Второе меню должно позволять задать ранги классов, исходя из их координат или угла наклона линии, соединяющей класс с началом координат. Для этого следует подвести курсор к нужному классу, исполнить ENT, выбрать из предложенного списка значение ранга и исполнить ENT. Динамическая информация об оставшихся ресурсах и возможных потерях поможет пользователю контролировать процесс распределения ресурсов. Изложенная технология принятия решений по распределению ресурсов по ГО положена в основу информационной технологии, использующей ЭФ и БД, модели ЗП, графический интерфейс для построения ГО и другле средства общения.

Структурная и функциональная схемы системы. Система СПЗРР включает в себя (рис.2) управляющую программу и блоки (процедуры): ввод и загрузка данных, сохранение данных по классам, моделирование ЗП, просмотр результатов по классам. В блоке "Ввод и загрузка данных" выделены подблоки: ввод данных по объекту, загрузка данных по классам, ввод данных по классам. Исходные данные для моделирования ЗП содержатся в "Паспорте объекта" и в данных "Классы

объекта". В блоке "Моделирование ЗП" выделены подблоки: определение ЗП по классам, построение ГО, решение о возможности оптимизации, решение о PP.

Рис.1 Графические образы для принятия решений

В СПЗРР (рнс.З) обеспечена взаимосвязь компонент на логическом (Пролог) и алгоритмическом (Си) языках программирования. Управляющая программа на Прологе управляет следующими процедурами на Прологе: ввод или загрузка данных по объекту и классам в БД через ЭФ, сохранение данных по классам и объекту в БД, редактирование ЭФ, инициализация блока "Моделиро-

вание ЗП" и управление через него переводом файлов для программ вычисления ЗП из формат; Пролога (*.DBA) в формат для программ на Си (*.DAT), просмотр и печать отчета.

Процедура "Моделирование ЗП" осуществляет запуск расчетных и графических модулей и: Си: вычисление ЗП по классам, построение ГО и ПР на ЭФ с ГО. С использованием ГО решак» задачи: оценка целесообразности оптимизации РР, ранжирование классов по возможности мини мизации затрат средств и времени, задание отношений для компонент класса (нести затраты ил* нет), изменение масштаба (или числа компонент) яа ГО, пересчет остатка ресурсов. Модул* редактирования и просмотра ЭФ представляют пользователю возможность в удобной форме вво дить, корректировать и просматривать данные по объекту. Модули вычисления ЗП разрабатывав! сам пользователь. Модули работы с ГО - обеспечивают графическую интерпретацию данных * результатов расчетов и позволяют принимать решение о целесообразности оптимизации и ее про ведении с учетом изменения ресурсов времени и средств.

Рис.2 Функциональная схема системы и моделирования затрат-потерь

Схема взаимодействия программ и файлов. Последовательность действий для РР обеспечивается программой consult.exe. Передачу данных между программами рассмотрим в процессе работы под управлением программы z_p.exe (рис.4). Выделяются три фазы: загрузка, ввод и корректирование данных; моделирование ЗП; просмотр результатов.

На первой фазе заполняют ЭФ "паспорт объекта" (файл tabO.dba), в том числе вводят количество классов в объекте, по которым будут распределяться ресурсы. Далее из БД загружают данные (файлы типа *.inf) по каждому классу, которым автоматически присваивается имя tabN.dba, где N - номер класса. Если нужно отредактировать загруженные данные или в БД нет данных по какому-либо классу, то с помощью программы редактирования ЭФ tab.exe нужно произвести редактирование или ввод данных по классам, которые сохраняются в файлах tabN.dba.

Рис 3. Структурная схема системы

На второй фазе управляющая программа переводит данные (файлы tN.dba), введенные пользователем, в файлы tabN.dat для программ вычисления максимальных ЗП для каждого из классов (*.ехе). Результаты вычислений сохраняются в файлах данных tabN.res, которые являются исходными для программы построения ГО и ПР (g2.exe). Результаты этой программы записываются в файлы данных типа '.run и переводятся управляющей программой в файлы tN.och, а затем программа print.exe генерирует отчет, который записывается в файл och.prn.

На третьей фазе управляющая программа осуществляет просмотр или печать отчета по результатам сеанса моделирования ЗП. Перед выходом из системы или началом работы с другим объектом следует сохранить исходные данные в БД в виде файлов с расширением *.inf.

Меню-монитор. Меню-монитор — это совокупность вложенных меню. Меню первого уровня позволяет: ввести данные, запустить программу моделирования ЗП, сохранить введенные данные в БД. Если пользователь выбирает "Ввод и загрузка данных", то появится меню второго уровня, предлагающее: ввести паспорт объекта и данные по классам, загрузить данные по классам из БД. Если выбирает "Ввод паспорта объекта", то появится нужная ЭФ. После ввода возвращаются в меню-монитор. Если выбирает "Вод данных по классам", то появится меню третьего уровня, содержащее список классов, выбрав класс, получим соответствующую ЭФ. Если выбирает "Загрузка данных", то появится меню третьего уровня из списка классов, для которых производится загрузка данных. После выбора класса пользователь получает меню из списка файлов, находящихся в БД и содержащих информацию по классам.

Если пользователь выбирает в главном меню "Запуск программы", то подключается программа моделирования ЗП. Если выбирает "Сохранение данных", то появляется меню второго уровня со списком классов, данные по которым можно сохранить. Сделав выбор, он вносит в БД новые факты и возвращается в меню-монитор. Если пользователь выбирает "Просмотр и печать отчета", то на экране появляется меню, предлагающее просмотр отчета и печать отчета.

Ввод данных. Управляющая программа dobawl.exe обеспечивает: ввод данных, вычисление ЗП,ПР и выход из системы. Программа tabllO2.exe, служащая для ввода и коррекции данных, представляет собой ЭФ для ввода паспорта объекта (рис.5) и ввода данных по классу (рис.6).

В левом столбце (рис.5) в режиме редактирования - наименования строк-полей, в правом - поля для ввода значений. ЭФ (рис.6) заполняется для каждого класса. Она содержит как наименования полей, так и сами поля: для ввода, вычисляемые и итогов. В зависимости от объекта полям я режиме редактирования можно дать другие наименования.

Ввод данных для расчета

Ввод данных для расчета

Ввод данных для расчета

в)

Рис.6. Ввод: а - стоимостей и отношений, 6 - коэффициентов, в - характеристик

Модели ЗП подсоединяют в виде ехе-файлоа для каждого класса своим именем (рис.6). Для класса 1 данные вводятся из файла datl.dat, для класса 2 - из файла dat2.dat и т.д., а выводятся в файлы rezl.dat, rez2.dat,.. Структура файла типа datx.dat : в строке 1 - коэффициенты, которые вводят в ЭФ; в строке 2 и последующих - данные для компонентов класса: стоимость измерительной схемы, отношение D и другие характеристики. Структура файла rezx.dat: в строке 1 - затраты на оснащение Q3, в строке 2 - потери времени Тп, в строке 3 - потерн средств Qn.

Система СПЗРР реализована с некоторыми ограничениями. Так, число классов и компонент в классах не может превышать 10. Следует отметить, что при распределении ресурсов по ГО получают квазиоптималькое решение. Действительно, ресурсов, распределяемых в порядке рангов, может не хватить на какие-то выгодные компоненты классов, до которых не дошла очередь. Но эти компоненты легко выявляются и моделирование следует повторить.

Список литературы

1.      Поспелов Г.С. Искусственный интеллект - основа новой информационной технологии. - М.: Наука, 1988. - 280 с.

2.      Семенов Н.А. Программы регрессионного анализа и прогнозирования временных рядов. Пакеты ПАРИС к МАВР. - М.: Финансы н статистика, 1990. - 111 с.

3.      Соложеицев Е.Д., Коробицын И.А. Информационная технология обеспечения надежности сложных машин на этапе доводочных испытаний. // Проблемы машиностроения и надежности машин. - N6. - АН СССР. - 1990.

4.      Соложенцев Е.Д., Чертов Д.Л. Диалоговая система поддержки моделей функционирования. // Программные продукты и системы. - 1991. - № 4.