Software & Systems

Основными концепциями современного развития систем автоматизированного проектирования в машиностроении являются интеграция, интеллектуализация и индивидуализация [1]. В практическом плане интеграция должна ликвидировать перекодировку информации при переходе от конструкторских САПР к системам проектирования технологических процессов по всем технологическим переделам, включая не только обработку на станках с ЧПУ, но и процессы заготовительные, термической обработки, сварки, сборки, контроля, испытаний и т.д. В итоге должны формироваться все данные, необходимые для систем планирования и управления производством. Интеллектуализация призвана сократить трудоемкость конструкторского и технологического проектирования за счет повышения уровня автоматизации САПР, преобразования этих систем из пассивного инструмента в руках инженера в его активного партнера, обеспечивающего автоматическое принятие решений и генерацию там, где это возможно, проектов изделий в целом или их узлов. Индивидуализация должна обеспечить преобразование САПР из обезличенного программного продукта в персональное программное средство, наполненное без помощи программистов индивидуальными знаниями экспертов.

Субъектно-объектные схемы автоматизации проектирования

Важнейшей методической основой для реализации упомянутых концепций является теория многоагентных систем (МАС). Применительно к проблематике САПР эта теория имеет специфические особенности. С точки зрения субъектно-объектного подхода в САПР субъектом является инженер, занятый разработкой проекта, который выступает в качестве объекта деятельности. При использовании традиционных пассивных САПР мы имеем линейную субъектно-объектную схему. В этой схеме САПР выступает в качестве инструмента, который субъект помещает между собой, и объектом его деятельности. До появления САПР у конструкторов в качестве такого инструмента выступал кульман.

При использовании многоагентных САПР происходит принципиальное изменение субъектно-объектной схемы: она преобразуется в треугольник. В этом случае САПР превращается из пассивного инструмента в активного партнера в агента, которому делегируются определенные функции и полномочия [2] (рис.1). При движении от объектного полюса, то есть от проекта, агентом считается активный объект, или метаобъект, способный манипулировать другими объектами, входящими в состав проекта, для достижения целей, поставленных в техническом задании на проектирование изделия.

Эту искусственную деятельность контролирует и направляет человек, отвечая на вопросы, которые задает ему многоагентная САПР, анализирует автоматически сгенерированные чертежи и изменяет при необходимости параметры объектов, входящих в проект.

Свойства и архитектура агентов САПР

При построении искусственных агентов минимальный набор их базовых характеристик должен включать [2]:

·    активность, означающую способность к организации и реализации действий;

·    реактивность, или способность воспринимать состояние среды;

·    автономность, то есть относительную независимость, существование собственных «законов поведения», основанных на имеющихся у агента данных и знаний;

·    общительность, вытекающая из необходимости решать свои задачи совместно с другими агентами;

·    целенаправленность, предполагающую наличие собственных источников мотивации.

В машиностроительных САПР в качестве агентов могут выступать комплексы, сборочные единицы, детали и их элементы. Активность агентов САПР связана с необходимостью решения двух категорий задач: структурного синтеза и синтеза параметрического. Структурный синтез заключается в выборе структуры подчиненных объектов, а параметрический – в генерации значений собственных свойств, в результате чего из класса объектов, представленных в форме агента, генерируется один экземпляр, который и включается в проект.

Реактивность агентов САПР обеспечивает решение упомянутых задач за счет обмена информацией между агентами непосредственно или через базу данных.

Автономность агентов САПР основывается на встроенных в них методах, в которых содержатся инженерные знания по различного рода расчетам, а также геометрические и графические знания в форме параметризованных моделей, обеспечивающих генерацию трехмерных образов и чертежей.

Общительность агентов САПР имеет как вертикальную, так и горизонтальную составляющие. Вертикальная составляющая включает обмен данными по иерархии целое-часть и род-вид, а горизонтальная – обмен между конструктивно сопряженными, но не подчиненными друг другу по иерархии агентами.

Целенаправленность агентов САПР определяется необходимостью реализации проекта, удовлетворяющего техническим требованиям заказчика, а также другим требованиям, накладываемым разработчиком.

Обобщенная модель класса искусственных агентов САПР приведена на рисунке 2. Любой агент представляет собой открытую систему, помещенную в некоторую среду [2]. В случае САПР этой средой является проект, формируемый в базах данных, в качестве которых целесообразно использовать базу данных объектного типа для представления модели изделия (внутренняя среда), и реляционную базу данных для поиска стандартных и покупных изделий, свойств материалов и тому подобной информации (внешняя среда, которая, как правило, является сетевой).

Свойства агента САПР могут принадлежать трем различным категориям свойств: импортируемых, экспортируемых и внутренних. Импортируемые свойства являются рецепторами агента САПР, формирующими его систему восприятия. Экспортируемые свойства агента САПР являются его эффекторами, функция которых состоит в воздействии на среду, то есть на состояние проекта.

Свойства агента САПР всех трех категорий образуют его память, в которой хранится текущее состояние агента.

Процессор агента САПР формируется с помощью его методов, обеспечивающих объединение и переработку разнородных данных, выработку соответствующих реакций на информацию о состоянии среды (проекта), принятие решений о выполнении тех или иных действий [2]. В целом процессор определяет поведение агента САПР, которое можно наблюдать, либо используя инспектор модели агента, с помощью которого инженер следит за состоянием свойств агента, либо в графическом окне, в котором отображаются сгенерированные чертежи и другая геометрическая информация.

Многоагентные САПР

Классическая теория искусственного интеллекта (ИИ) основана на решении задачи одной интеллектуальной системой (агентом), обладающей всеми необходимыми знаниями и ресурсами для решения этой задачи. Применительно к проблематике проектирования в машиностроении такой подход может быть использован лишь для разработки простейших изделий, таких как, например, режущий инструмент. Проектирование сложных изделий осуществляется конструкторскими бюро в составе многих отделов, каждый из которых отвечает за разработку узлов определенного класса. Этой организационной схеме и соответствует структура МАС.

В теории МАС предполагается, что отдельный агент может иметь частичное представление о поставленной задаче и способен решить лишь некоторую ее подзадачу. Поэтому для решения сколько-нибудь сложной проблемы требуется взаимодействие агентов. Распределение задач предполагает назначение ролей каждому из агентов, определение требований к его знаниям [2]. В зависимости от того, идет ли это распределение от поставленной задачи или от целей и возможностей конкретного агента, выделяют системы распределенного решения задач и децентрализованного ИИ [2]. В первом случае процесс декомпозиции исходной задачи и обратный процесс композиции получаемых решений носят централизованный характер. При этом МАС проектируется сверху вниз на основе разбиения общей задачи на относительно независимые подзадачи и определения ролей агентов. Во втором случае распределение задач происходит в значительной мере спонтанно в процессе взаимодействия агентов.

Многоагентные САПР можно строить как системы распределенного решения задач. Их основу составляет иерархическая метасистема агентов, проектируемая сверху вниз.

МАС состоят из следующих основных компонентов [2]:

·     множество системных единиц, в котором выделяются подмножество активных единиц – агентов, манипулирующих подмножеством других агентов, и пассивных единиц – объектов;

·     среда, то есть некоторое пространство, где существуют агенты и объекты;

·     множество отношений (взаимодействий) между агентами;

·     множество организационных структур (конфигураций), формируемых агентами и объектами;

·     множество эволюционных стратегий, которые поручаются агентам и системе в целом.

На основе изложенного формальную модель САПР как МАС можно представить так:

MAS = áA, U, E, R, ORG, EVñ,

где A – множество агентов САПР; U – множество объектов, не имеющих собственных интенциональных характеристик; E={e} – среда, в которой находится данная САПР; R – множество взаимодействий между агентами САПР; ORG – множество базовых организационных структур, соответствующих конкретным функциям (ролям) агентов, устанавливающее отношения между ними; EV – множество эволюционных стратегий, которые поручаются агентам и САПР в целом.

В многоагентных САПР множество агентов A формируется из оригинальных сборочных единиц и деталей, подлежащих разработке при проектировании, и средств разработки. В качестве пассивных объектов выступают неструктурированные элементы формы деталей, занимающие в конструкторской иерархии нижний уровень (цилиндры, торцы, фаски, канавки и т.п.). Эти объекты обладают знаниями, необходимыми для проектирования переходов механической обработки.

В качестве среды E={e} многоагентной САПР выступает разрабатываемый проект изделия, состоящий из множества экземпляров ex из классов задействованных в проекте агентов. Задачи, порученные агентам, определяются инкапсулированными в них методами.

Множество взаимодействий R между агентами САПР определяется ребрами графа экспорта и импорта свойств агентов и объектов. Как было отмечено выше, эти взаимодействия носят и вертикальный, и горизонтальный характер. Вертикальные взаимодействия осуществляются между агентами, связанными друг с другом по иерархии организационной структуры ORG, а горизонтальные – между иерархически не связанными агентами.

Организационная структура ORG в многоагентной САПР представляет собой иерархическую метасистему, моделируемую И/ИЛИ графом. Связки типа И описывают отношения класса целое–часть, а связки типа ИЛИ – отношения класса род–вид. Последние используются при принятии решений в процессе структурного синтеза изделий.

Наконец, множество эволюционных стратегий EV связно с поиском наилучших из всех возможных решений. Здесь могут быть использованы генетические алгоритмы.

CASE-технология создания многоагентных САПР

Создание современных интеллектуальных проблемно-ориентированных систем немыслимо без соответствующих CASE-технологий. Методологической основой описываемой CASE-техно­логии является системология [1]. В соответствии с этим установлена последовательность операций процесса создания систем.

Первая операция, выполнение функционально-структурного анализа прикладной области, направлена на создание проекта метасистемы, охватывающей все множество изделий, подлежащих разработке с помощью многоагентной САПР. Следующей операцией является разработка объектной метамодели данных. Методической основой для выполнения этой операции служит объектно-ориентированный подход к проектированию программных средств. В качестве инструментального средства используется подсистема Sprut X. Инструментальным средством разработки геометрических и графических баз знаний, формирующих чертежи, является система Sprut CAD. Разработка экспертных баз знаний производится с помощью Sprut ExPro [3]. Здесь Sprut ExPro реализует экспертное программирование и позволяет непрограммирующим специалистам создавать интеллектуальные конструкторско-технологические системы проектирования с производительностью в 7-10 раз выше, чем профессионалы. На основе баз знаний генерируются методы агентов.

Следующей операцией создания объектной метамодели изделия является подключение методов к объектам, выполняемое с помощью Sprut X. В процессе подключения осуществляется привязка входных и выходных переменных метода к свойствам объекта.

С помощью методов производятся необходимые инженерные расчеты, выбор стандартных и покупных комплектующих изделий, генерация (при необходимости) 3D моделей, а также чертежей, проектирование технологических процессов изготовления сборочных единиц и деталей.

Последней операцией CASE-технологии создания многоагентных САПР является генерация прикладного интерфейса системы, которая выполняется в полуавтоматическом режиме на основе разработанной объектной метамодели изделия. Интерфейс унифицирован и содержит минимальное количество средств управления.

Создаваемые с использованием описанной технологии прикладные системы относятся к классу систем «проектирования от одной кнопки» и могут работать в полностью автоматическом режиме. Достаточно задать технические требования, состоящие из свойств верхнего объекта, и нажать на кнопку «Генерация чертежей». Свойства задаются с помощью кнопки «Инспектор». При необходимости скорректировать сгенерированные чертежи нажатием на кнопку вызывается графический редактор Sprut CAD.

В заключение отметим, что разработаны теоретические основы построения интеллектуальных систем модульного проектирования в машиностроении с использованием методов теории МАС. На основе разработанной теории с использованием комплекса инструментальных средств операционной среды «Спрут» создана новая информационная технология генерации многоагентных САПР практически без использования труда прикладных программистов. С помощью этой новой информационной технологии, обеспечивающей резкое сокращение трудоемкости создания специализированных систем, разработана система проектирования асинхронных электродвигателей. Разработанные методы и средства используются в учебном процессе по курсу «САПР в компьютерно-интегрированных производствах» в МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Список литературы

1.   Евгенев Г.Б. Системология инженерных знаний: Учеб. пособие для вузов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.

2.  Тарасов В.Б. От многоагентных систем к интеллектуальным организациям: философия, психология, информатика. – М.: Эдиториал УРСС, 2002.

3.   Евгенев Г.Б., Борисов С.А. SprutExPro: Программирование для непрограммистов// САПР и графика. – 2002. – №1.