Программные продукты и системы

Опыт разработки интеллектуальных АРМ для ведущих специалистов конструкторско-технологических бюро в машиностроении [4, 5] показал, что модели функционирования объектов остаются основным инструментом инженеров. Не случайно автоматизации разработки моделей уделяют все большее внимание [1—3].

Однако для перехода от разовых расчетов на ЭВМ, или так называемых параметрических исследований, к принятию решений с использованием баз знаний и экспертных систем в новых информационных технологиях нужны специальные сервисные программные средства. Они должны позволять СПЕЦИАЛИСТУ самому оперативно выполнять некоторые последовательности расчетов на модели, обрабатывать их результаты и представлять в удобной для принятия решений форме, чем устранят традиционно большую задержку времени на подготовку схем расчетов, сведение результатов в таблицы и их обработку. Необходимость в таких средствах очевидна, например для решения задач надежности и оптимизации, причем речь идет не об окончательном ответе, а о подготовке информации для принятия решения.

Такие средства поддержки моделей функционирования могут использоваться не только автономно, но и в составе интегрированных систем обработки информации, в интеллектуальных АРМ, в которых ведутся документирование, вычисления на инженерных и экономических моделях, принятие решений с использованием баз знаний [4, 5].

Полезным свойством таких программных средств была бы возможность их использования и для обработки экспериментальных данных, ибо прогнозирование и оптимизации на модели, обработка и оценка результатов эксперимента обычно чередуются.

Цель настоящей работы - изложить методологию и опыт создания диалоговой системы поддержки функциональных моделей объектов (ДСПМ), позволяющей самому СПЕЦИАЛИСТУ:

•        подсоединять к системе программы, состав ленные на основе законов сохранения массы, энергии, импульса или балансовых условий к записанные в виде дифференциальных и алгеб раических уравнений;

•        избирательно указывать изменяемые пара метры на входе и наблюдаемые параметры (ре зультаты) на выходе модели;

•        запускать нужные последовательности (ти пы) расчетов;

•        запускать на дополнительную обработку ре зультаты расчетов и выводить их на экран в удобной табличной или графической форме;

•        сохранять результаты исследований на модели;

•        обрабатывать экспериментальные данные С помощью программных средств для расчетов на модели.

В диалоговой системе на подсоединенной модели прежде всего необходимо обеспечить выполнение следующих расчетов.

1)       Моделирование методом Монте-Карло с указанием случайных параметров и их характе ристик во входном файле модели, с вычисле нием математических ожиданий, дисперсий, коэффициентов асимметрии и эксцесса отме ченных параметров выходного файла. Исполь зуется для прогнозирования параметрических отказов в задачах надежности, планирования испытаний и диагностирования.

2)       Планирование много факторных эксперимен тов с указанием варьируемых параметров во входном файле, их нижних и верхних уровней и с вычислением коэффициентов линейных урав нений-регрессий для отмеченных параметров- откликов выходного файла. Используется для замены сложной модели функционирования ли нейными уравнениями-откликами (разложение на сфере) с целью решения в первом приближе нии оптимизационных задач при проектирова нии или испытаниях.

Построение моделей чувствительности с указанием варьируемых параметров во входном файле и их малых приращений, а также с вы числением коэффициентов чувствительности линейных уравнении для отмеченных параметров-функций выходного файла. Используется для замены сложной модели функционирования линейными уравнениями (разложение в точке) с целью решения в первом приближении оптимизационных задач и выбора наиболее эффективных воздействий.

4)        Построение сечений для критериев с указа нием варьируемых параметров во входном фай ле, их предельных значений, числа расчетных точек на интервале и с построением нелиней ных функций и графиков для указанных пара метров. Используется для оценки характера из менения критерия (унимодальности или много- модальности, плоскостности или экстремаль ности на границе области) и выбора метода оптимизации.

5)        Выполнение разового расчета с выводом только избранных пользователем параметров выходного файла модели. Используется для пробных расчетов и оценок по усмотрению пользователя.

И наконец, необходимо обе- печить обработку экспериментальных данных:

-     формирование матрицы планирования много факторных экспериментов, занесение результа тов экспериментов в текстовой файл, вычисле ние коэффициентов линейных уравнений-рег рессий;

-     занесение статистических данных в текстовой файл, вычисление первых четырех моментов, корреляционной и ковариационной матриц, ве роятностей отказов и построение гистограмм распределений.

Очевидно, что ДСПМ создаст благоприятную информационную среду для решения задач надежности н диагностики, оценки эффективности коэффициентов запаса прочности и теп-лопередаюшей поверхности, для оценки конструктивной выполнимости машин и нх элементов, для исследования устойчивости физических процессов, для выбора настройки оборудования с максимизацией времени до появления брака и др.

Кроме того, по результатам моделирования методом Монте-Карло следует предусмотреть:

-     построение корреляционной матрицы для избранных параметров выходного файла (ис пользуется для принятия решений при оптими зации одних выходных параметров и ограниче ниях на другие параметры);

-     построение ковариационной матрицы для избранных параметров выходного файла (ис пользуется для построения многомерной функ ции распределения параметров в задачах на дежности к диагностирования);

-     определение вероятностей отказов — выхода за допустимые значения избранных параметров выходного файла - в предположении нормаль ности распределения (используется при прогно зировании отказов);

-     построение гистограмм распределения для избранных параметров выходного файла (ис пользуется для визуальной оценки нормальнос ти распределений и выбора закона распределе ния в задачах надежности).

Предполагается, что модель выполнена в виде файлов: исполняемого ISPO, входного IN0 и выходного OUT0. Для каждого типа (последовательности), расчетов (рис. 1) управляющая программа UPR из INO, OUT0 формирует файлы IN1 и OUT1, в которых фиксирует изменяемые входные параметры и избранные выходные параметры модели. Программы PR1, PR2, PR3,... обрабатывают файлы INI, OUT1 и представляют результаты в различной форме в файлах IN2, OUT2, IN3, OUT3,... Такая организация делает независимыми входные, выходные и исполняемые файлы, обеспечивая возможность обработки экспериментальной информации и расширения системы.

Для ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ общение с системой организовано через формы-шаблоны посредством экранного ввода/вывода и специальных файлов директория системы с расширением .INF. Для заполнения форм предусмотрены два™, операции, осуществляемые через - "горячие" клавиши (F3 — чтение из файлов, F2 — запись в файлы с расширением .INF). В начале работы с пустой формой (рис. 2) необходимо загрузить соответствующий файл по F3 и внести исправления. Информацию можно сохранить по F2 в указанном файле. По клавише ESC или F10 происходит завершение работы.

фицировании обеих составных частей системы. Таким образом, удалось добиться четкости структуры, однозначности истолкования сообщений, гибкости и предусмотреть возможность ее дальнейшего развития.

Избранные входные и выходные параметры и результаты-документы при необходимости следует сохранять не только в файлах с системными именами, указанными в подсказке F1-help, ко и в файлах с другими именами, обеспечивая накопление результатов. Чтобы использовать эти данные для расчетов, их нужно перегружать в файлы с системными именами, пользуясь клавишами загрузки F3 и F2.

Отметим, что кроме расширения .INF, играющего существенную роль, рассматривались и иные способы связи форм и файлов. Во-первых, можно было заменить "горячие" клавиши соответсвующимн операциями в меню. Однако это утяжелило бы структуру меню. Во-вторых, автоматическая запись файлов в форму, освобождая пользователя от ряда действий, лишает его возможности сохранять предыдущую информацию. Гибкость и простота использования системы - взаимоисключающие требования.

При разработке ДСПМ нужно было связать воедино монитор и расчетную часть. Чтобы монитор не занимал большого объема оперативной памяти, его связь с расчетной частью организована через файл. Однако средства Пролога выводят информацию в специфическом формате, на который нужно настроить процедуры ввода данных, написанные на Си. Естественно, для передачи информации в монитор нужно и вывод из Си-программ организовать соответствующим образом. Для гибкости строки-форматы вынесены в отдельные файлы, которые можно изменять по мере необходимости. Это увеличивает объем системы на диске, но не отражается на объеме оперативной памяти и обеспечивает достаточную гибкость при моди-

К меню системы предъявлены следующие требования:

—        пользователь должен понимать, что скры вается за названиями процедур и операций;

-    строка главного меню не должна превышать сорок символов;

-    максимальное число уровней иерархии - два, так как ДСПМ может вызываться из меню ин теллектуального АРМ;

—        различные элементы меню не должны вы полнять одинаковые функции.

Система, построенная на принципах структурного программирования, реализована на языках Пролог и Си, занимает на диске память -0.8 Мб, содержит 78 файлов, из них 9 файлов типа .ЕХЕ и 13 файлов типа .INF. В свою очередь файлы .ЕХЕ (тип расчета) включают в себя до 10 оригинальных и инвариантных модулей- Монитор написан на Прологе, а содержательная часть системы для выполнения расчетов - на Си. Это вызвано тем, что использовался инструментарий для создания интеллектуальных АРМ на Прологе [5], на который подключалась расчетная часть на Си.

Меню-монитор включает в себя процедуры: ПОДСОЕДИНЕНИЕ МОДЕЛИ, ЗАДАНИЕ ВХОДОВ, ЗАДАНИЕ ВЫХОДОВ, ВЫПОЛНЕНИЕ РАСЧЕТОВ и ПРОСМОТР РЕЗУЛЬТАТОВ, которые состоят из операций. Для операций предусмотрены подсказки по F1, которые описывают их назначение и выполнение.

Подсоединение модели. В процедуре подсоединяют модель функционирования (рис. 3). Задают полное имя исполняемого файла с расширением .ЕХЕ, имя одного входного текстового файла, избранные параметры которого могут

изменяться, имя одного выходного текстового        Выходной файл функциональной модели ре-

файла, параметры которого избираются для об- комендуется оформлять, например, в таком работки и оценки.                                                                               виде:

Рекомендуется входной файл функциональной модели оформлять, например, следующим образом:

0.00324 - коэффициент Вошки С2 485.0 - средня» температура, К 0.92 9.0 - коэффициент давления и подогрев воздуха, в коллекторе

В строке может быть одно, два и более чисел, разделенных пробелами; после последнего числа следуют пробелы, далее "-", пробел и поясняющий текст.

коэффициент избытка воздуха

индикаторная мощность, л.с.              - 100.059 махсимальное давление цикла, кгс/см            - 90.816

средняя температура в коллекторе, К - 851.801

Если в модели предусматривается ввод информации с клавиатуры и/или вывод ее на экран, то рекомендуется создать специальные входной и/или выходной файлы для соответствующих данных и переадресовать в них информацию средствами MS DOS. В этом случае при подсоединении модели после ее имени (и пара-

метров, если они есть) указывается последовательность вида: < {имя входного файла} > {имя выходного файла}

Все, вводимое с клавиатуры, необходимо записывать во входном файле, а все, выводимое на экран, должно попасть в выходной файл.

Задание входов. Процедура-меню обеспечивает избирательное задание входных данных для типов расчетов и состоит из операций:

Моделирование методом Монте-Карло Планирование мкогофакторных экспериментов Построение модели чувствительности Вычисление вероятностей отказов Построение гистограмм Построение сечений для критериев

В каждой операции заполняют форму-шаблон по избранным параметрам входного файла. Например, в операции "Моделирование методом Монте-Карло" (рис. 4) заполняют форму, имеющую следующие столбцы: номер строки, количество параметров в строке, минимальное и максимальное значения параметра и число испытаний.

Задание выходов. Процедура обеспечивает избирательное задание выходных данных для типов расчетов. При выполнении любой операции этой процедуры вызывается форма-шаблон (рис. 2), в которую заносят наименования (текстовые константы) избранных параметров выходного файла. Это позволяет средствам системы найти в выходном файле модели по текстовым константам соответствующие им значения. Если текстовая константа отсутствует, то поиск невозможен. Ее можно задать не целиком, а лишь начальным фрагментом, идентифицируемом в выходном файле единственным образом.

Выполнение расчетов. Процедура-меню обеспечивает запуск на выполнение разных типов расчетов н состоит из следующих операций:

Моделирование методом Монте-Карло

Планирование экспериментов на модели

Построение модели чувствительности

Построение корреляционной и ковариационных матриц

Вычисление вероятностей отказов

Построение сечений для критериев

Разовый расчет

Планирование экспериментов лэ объекте

Статистическая обработка экспериментальных данных

Запускается соответствующий элемент меню, расчеты сопровождаются мелодичным звуком и сообщением на экране об окончании последовательности расчетов или об ошибке. При выполнении последних двух операций следует руководствоваться HELP-инструкциями.

Просмотр результатов. Процедур а-меню обеспечивает просмотр результатов разных типов расчетов с дополнительной обработкой информации и состоит из следующих операций:

Моделирование методом Монте-Карло Построение гистограмм Планирование экспериментов      Построение сечений

Построение модели чувствительности Разовый расчет Построение корреляционной матрицы Редактор Построение ковариационной матрицы Выход в ДОС Вычисление вероятностей отказов             Выход из системы

При выборе соответсвующей операции на экране появляется пустая форма. По клавише F3 в нее загружают файл с результатами. Если их нужно сохранить, то по F2 результаты записывают в файл с новым именем. Особое назначение имеют операции: Редактор, Выход в ДОС, Выход из системы. Первая из них позволяет просмотреть любой файл, вторая — на время перейти из ДСПМ в ДОС, третья - выйти из системы.

На основании результатов работы можно сделать следующие выводы.

1.       Диалоговая система поддержки функцио нальных моделей объектов обладает высокой эффективностью, что вызвало большой интерес специалистов КБ ряда заводов, в частности АО КамАЗ и АО ВАЗ.

2.       Диалоговую систему можно использовать как автономно, так и в комплексе с интеллек туальными АРМ и САПР; функции системы могут быть расширены.

3.       Следует признать целесообразным разработ ку стандарта на оформление функциональных моделей-программ с изложением требований к входному и выходному файлам, их числу и особенностям, организации текущего ввода- вывода при решении задачи. Это ускорит и уде шевит разработку новых информационных тех нологий в машиностроении на основе баз знаний.

Список литературы

1. Васильев В.Д., Соложенцев Е.Д. Кибернетические мето ды при создании поршневых машин. М: Машиностроение. 1978. - 122 с.

2.       Виттих В.А., Цыбатов В.А. Обобщенные ресурсные мо~ дели систем машина - человек - среда // Проблемы маши ностроения н надежности машин. 1990. N 4. С. 3-11.

3.       Левин М.Б., Одуло А.Б., Розенберг Д.Е. Генерация за даний и интерфейса пользователя для пакетов прикладных программ // Мир ПК. 1990. N2. С. 43-47.

4.       Соложенцев Е.Д., Коробицын И.А. Концепция оснаще нии интегрированных САПР е машиностроении проблем но-ориентированными интеллектуальными АРМ. Препринт N8, ЛФИМАШ АН СССР, 1989.

5.       Соложенцев Е.Д., Коробицын И.А., Ткачев Н.Н., Метелкнн Д.Ю. Интеллектуальный проблемно-ориентиро ванный АРМ для отработки (доводочных испытаний) сложных машин н технических систем. - Препринт N40, ЛФИМАШ АН СССР, 1990.