Software & Systems

В Волгоградском государственном техническом университете была разработана и в течение ряда лет применялась оригинальная модель описания структурированной физической информации в форме физических эффектов (ФЭ) [1]. На основе данной модели был создан комплекс программных систем, работающих с физической информацией [1-4]. Эксплуатация данных систем позволила выявить направления развития модели представления физических знаний и сформулировать ряд новых требований к набору выполняемых функций. Признано необходимым:

1)  расширить применимость модели описания ФЭ за счет введения ряда новых компонент [5];

2)  повысить степень формализации информации, в частности использовать аналитическое описание математической модели ФЭ;

3)  расширить поисковые возможности модели;

4)  повысить степень восприятия информации разными группами пользователей;

5)  предусмотреть работу с гибкой структурой данных, таким образом заложить возможность адаптации системы к дальнейшим модернизациям модели описания ФЭ;

6)  предусмотреть возможность синтеза не только линейных структур физического принципа действия (ФПД) технических объектов [1], но и сетевых;

7)  реализовать процедуры однокритериальной и многокритериальной оценок структур ФПД;

8)  повысить гибкость системы (управляемость процесса проектирования, степень интерактивности при формировании поисковых предписаний и выборе альтернатив и др.);

9)  облегчить взаимодействие малоквалифицированного пользователя с системой.

С учетом поставленных требований была разработана расширенная модель представления физических знаний в форме ФЭ [5,6] и создан исследовательский прототип автоматизированной системы концептуального проектирования технических объектов и технологий с использованием структурированного описания физической информации (СОФИ). В настоящей работе приводится архитектура и описание функциональных возможностей СОФИ.

В соответствии с [7,8] начальные этапы проектирования включают в себя составление и уточнение описания потребности или технической функции разрабатываемого технического объекта (ТО), выбор физической операции, реализующей данную потребность, выбор функциональной структуры, выбор физического принципа действия. Качество, обоснованность решений, принимаемых на этих этапах, в значительной мере определяют конкурентоспособность разрабатываемых ТО. При этом важнейшим фактором выбора перспективного направления разработок является объем и качество используемой физической информации [9]. В связи с этим актуальной задачей является автоматизация начальных этапов проектирования с реализацией процедур поддержки принятия проектных решений на каждом из этапов. Рассматриваемая система реализует концепцию автоматизации начальных этапов проектирования на основе оптимизации проектных разработок по структурам ФПД.

Ниже дан краткий обзор подсистем СОФИ в соответствии с ее архитектурой, приведенной на рисунке 1.

Информационно-поисковая система (ИПС) по ФЭ реализует многоаспектный поиск информации в фонде ФЭ. Предоставляется следующий набор функций.

Формирование поискового предписания. В соответствии с текущей структурой описания ФЭ пользователю предоставляется возможность задания каждой компоненты искомых ФЭ. Для этого управление передается подсистеме синтеза и анализа ФПД с заданием структуры как одноэлементной.

Определение функции полезности физических эффектов. Значения рубрик, влияющих на оценку полезности ФЭ, оцениваются по порядковой шкале (например с помощью метода парных сравнений). Таким образом, определяется одномерная функция полезности для значений выбранной рубрики; для проведения многокритериальной оценки ФЭ формируется функция полезности (ФП) как свертка многомерной функции полезности (минимаксная, аддитивная, мультипликативная и др.) или ее структура и коэффициенты восстанавливаются с помощью дополнительной информации о предпочтениях пользователя.

Детализация и выбор вариантов. Данный режим предоставляет возможность конкретизировать образ искомого ФЭ и выбирать наиболее подходящий вариант из множества найденных по поисковому предписанию. Активизируется служебная процедура выбора ФЭ/ФПД, формирующая таблицу выбора ФЭ. В средней части таблицы приведен список ФЭ (с указанием номеров и наименований), соответствующих поисковому предписанию. Четыре других элемента таблицы содержат наиболее детализированное, непротиворечивое, общее для всех найденных ФЭ описание их компонент в текстовом виде. В процессе работы подсистемы каждая компонента описания ФЭ может быть уточнена. При выборе элемента таблицы раскрывается и-или дерево признаков соответствующего словаря с помеченными текущими вершинами (используются функции подсистемы информационно-поискового языка (ИПЯ)). Указанием признаков более низкого уровня происходит детализация описания компоненты. При этом в списке найденных ФЭ остаются лишь те эффекты, которые соответствуют новому предписанию. Для этого нового списка ФЭ вычисляются новые значения элементов таблицы по принципу, указанному выше. Отменой выбора вершины (переходом на более высокий уровень дерева признаков) производится ослабление требований к множеству ФЭ, при этом вновь выполняется процедура вычисления элементов таблицы, отображающих компоненты ФЭ. Ограничением при переходе на нижний уровень описания является структура словаря соответствующего ИПЯ, а при переходе на верхний уровень – поисковое предписание.

ФЭ в списке могут быть отсортированы (упорядочены). Для этого необходимо перейти в режим определения выражения сортировки, в котором можно определить рубрики, по значениям которых будет производиться сортировка; порядок их учета (сортировка сначала по одной рубрике; в случае наличия ФЭ, не сравнимых по ее значению, – по другой рубрике и т.д.); направление сортировки по каждой рубрике (по алфавиту или в обратном порядке – для символьных значений, по возрастанию или убыванию – для численных значений и др.). Сортировка может производиться и по значениям одной из сформированных функций полезности.

Выбором ФЭ из списка осуществляется переход в режим просмотра выходных карт.

Просмотр выходных карт ФЭ. Для каждого ФЭ, найденного по поисковому предписанию, может быть вызвана на экран выходная карта ФЭ, предоставляющая пользователю информацию о ФЭ в удобном для восприятия виде в соответствии с моделью представления выходной информации ФЭ [5,6]. Данную возможность предоставляет служебная процедура визуализации выходной карты. В процессе работы с выходной картой могут быть активизированы различные подсистемы для предоставления информации, связанной с текущим ФЭ.

Подсистема синтеза и анализа ФПД (СА ФПД) предназначена для автоматического синтеза структур ФПД в соответствии с заданием на синтез и для автоматизированного выбора ФПД разрабатываемого ТО на основе предпочтений пользователя. Предоставляется следующий набор функций.

Формирование задания на синтез. Задание на синтез представляет собой комплекс ограничений на структуру ФПД и входящих в нее ФЭ; в частности, включает в себя определение множества возможных входов и ожидаемых выходов разрабатываемого ТО, выделение множеств допустимых и запрещенных воздействий ФПД, выделение множеств допустимых и запрещенных объектов ФПД, выделение множеств допустимых и запрещенных ФЭ, выбор условий совместимости. Каждое множество содержит набор признаков соответствующего ИПЯ и определяется текущей структурой и содержанием фонда ФЭ. При выборе некоторого признака считаются выбранными все признаки, которые не противоречат ему по и-или дереву соответствующего ИПЯ. Состав множеств, определяющих задание на синтез, может быть расширен.

Далее с помощью логических связок (и, или, не) и элементов одного из множеств пользователем составляется логическое выражение (предикат «допустимый элемент»), отражающее его требования к соответствующей подструктуре ФПД. Структура ФПД удовлетворяет поисковому предписанию, если каждый ФЭ удовлетворяет комплексу требований (в том числе требований к структуре ФПД), задаваемому множеством предикатов, и если выполнены указанные условия совместимости – набор предикатов «допустимая подструктура» на структурах ФПД. В самом простом случае достаточно, чтобы соответствовали выход и вход соединенных дугой эффектов. В системе также предусмотрены средства формирования дополнительных условий совместимости.

Определение функции полезности ФПД. Аналогично такому же режиму подсистемы ИПС по ФЭ определяются значения рубрик описания ФЭ, влияющих на оценку полезности ФПД; указывается правило свертки одномерных функций полезности, определенных для ФЭ, на линейных и сетевых структурах ФПД (то есть задаются одномерные функции полезности ФПД). Для проведения многокритериальной оценки ФПД может быть построена свертка векторной функции полезности ФПД.

Автоматизированный выбор ФПД. Просмотр результатов синтеза с возможным уточнением задания на синтез происходит в процессе работы с таблицей, отображаемой процедурой выбора ФЭ/ФПД. При ее активации автоматически синтезируется множество линейных ФПД, удовлетворяющих заданию на синтез – множество простых цепей (незамкнутых путей с попарно различными вершинами и дугами) в графе поиска ФПД, которое может быть представлено с помощью дерева ФЭ (подграфа графа поиска). В таблице приведены непротиворечивые, наиболее детализированные описания общих признаков ФЭ для каждого уровня. Элементы таблицы, соответствующие переходам между уровнями дерева, содержат непротиворечивые, наиболее детализированные описания переходных воздействий, общие для всех дуг, соединяющих уровни (в случае двух соединенных дугой ФЭ переходным назовем общее воздействие для выхода одного ФЭ и входа другого).

Как и в случае поиска ФЭ, уменьшение множества вариантов ФПД достигается путем детализации требований к ФПД: выбором конкретного ФЭ на уровне, конкретизацией признаков ФЭ на произвольном уровне, уточнением описания как одного из переходных воздействий, так и входного (выходного) воздействия ФПД. При этом во множестве вариантов остаются структуры ФПД, удовлетворяющие новым требованиям, и все элементы таблицы пересчитываются для этого нового множества. Увеличение множества вариантов ФПД производится ослаблением требований к ФПД.

Полученное множество ФПД можно проранжировать с помощью одной из сформированных функций полезности. В этом случае таблица будет содержать сведения об одном ФПД, а также станет доступна панель со средствами перехода между лучшими ФПД, упорядоченными по значению функции полезности.

Отдельная структура ФПД может быть достроена в физически законченную в режиме синтеза сетевых структур ФПД.

Режим синтеза сетевых структур ФПД. Для переданной линейной структуры ФПД возможен автоматизированный синтез и выбор вариантов физически более адекватной (возможно, сетевой) структуры за счет ряда процедур структурной оптимизации ФПД (их список можно пополнить). С помощью сетевых функций полезности может быть оценена текущая структура; таким образом, может быть упорядочено по убыванию значений функции полезности множество вариантов сетевой структуры ФПД.

Режим ручного ввода структур ФПД. Система предусматривает ручной ввод структур ФПД с целью их дальнейшего совершенствования (на линейном и сетевом уровне) и оценки с помощью построенных функций полезности для обоснованного выбора наиболее предпочтительных вариантов как среди синтезированных, так и среди известных структур ФПД.

Предусмотрены переходы в режимы автоматизированного выбора ФПД и синтеза нелинейных структур ФПД для анализа введенного множества структур.

Подсистема ИПС справочных статей (ИПС СС) предоставляет доступ к фонду справочных статей. В данном режиме возможен полнотекстовый поиск и поиск по дескрипторам. При просмотре статей возможен переход по гипертекстовым ссылкам к связанным статьям, описаниям ФЭ, описаниям ТРЭ и к другой информации, содержащейся в базах данных (БД) системы.

Подсистема ИПС по математическим моделям (ИПС ММ) работает с фондом математических моделей. Реализован поиск по наименованию величин, входящих в зависимость, по поведению функции на заданном интервале, по характеристике зависимости. Дополнительно предусмотрена возможность ввода (в графическом или табличном виде) и анализа произвольной двухмерной зависимости величин. При этом предоставляется следующий набор функций: разбиение зависимости на участки; идентификация структуры и параметров зависимости на основе фонда математических моделей системы и информации о физических величинах, входящих в зависимость; различная интерполяция зависимостей.

Подсистема ИПС по ТРЭ предоставляет доступ к фонду ТРЭ, содержащему авторские свидетельства и патенты на изобретения. В данном режиме возможен поиск по номеру авторского свидетельства (патента), названию изобретения, фамилиям и инициалам авторов, классификационному коду Международной патентной классификации изобретений и просмотр кратких или подробных описаний сущности изобретения. При просмотре описаний ТРЭ возможен переход по гипертекстовым ссылкам к описаниям ФЭ и справочным статьям.

Подсистема интеллектуальной поддержки процесса проектирования (ИППП) предназначена для упрощения формализации решаемых подзадач в рамках системы на каждом этапе проектирования и реализована в виде экспертной системы. Данная экспертная система содержит базу знаний, машину логического вывода, модуль накопления знаний, а также модуль формирования объяснений. В качестве целей консультации с данной экспертной системой выступают, в частности, элементы формализованного описания запроса (например на поиск ФЭ или синтез ФПД), а в качестве симптомов (фактов-предпосы- лок) – характеристики проблемной ситуации.

Подсистема поддержки ИПЯ предназначена для обеспечения унификации описаний единиц информации и для расширения возможностей поисковых процедур. Подсистема ИПЯ осуществляет поддержку словарей, каждый из которых представляет собой множество терминов, организованных в и-или дерево. При указании некоторого признака считаются выбранными все признаки, находящиеся выше по иерархии, а допустимыми – признаки, лежащие ниже по иерархии, и те признаки выше по иерархии, которые не противоречат указанному по какой-либо или-вершине. Подсистема позволяет формировать (в интерактивном режиме) и эффективно использовать (предоставляя необходимый набор операций) произвольный ИПЯ, по своей структуре укладывающийся в рамки фасетной моноиерархии.

Таким образом, становится возможным классификационное индексирование документов БД системы. Подсистема также широко используется для индексации служебной информации, что является важным для организации базы данных и интерфейса системы.

Одним из отличительных признаков СОФИ является ее ориентация на работу с данными переменной структуры, что делает возможным оперативную модификацию информационного обеспечения системы и автоматизированную настройку программного обеспечения на работу с новой структурой данных. Необходимость реализации гибкой структуры данных определяется постоянным развитием модели представления физических знаний как в направлении повышения адекватности модели, так и с целью расширения класса задач, решаемых с использованием физических знаний. Указанная особенность позволяет также развивать модель не только в сторону повышения ее универсальности, но и специализировать модель для выбранной предметной области или под решение конкретной задачи.

Гибкая структура данных поддерживается как на физическом (структура файлов данных), так и на логическом (обеспечение доступа к данным) уровнях. Ниже описаны подсистемы, обеспечивающие указанную возможность.

Подсистема формирования структуры данных (ФСД). Обеспечивает формирование физической структуры данных, отражающей иерархическую структуру описания единиц информации выбранного информационного массива. В процессе работы с подсистемой пользователь модифицирует рубрики описания и отвечает на вопросы об их взаимосвязи. На основании его ответов автоматически перестраиваются таблицы данных и устанавливаются отношения между ними. В соответствующей таблице тип поля, представляющего рубрику, определяется по абстрактному типу данных (из библиотеки типов), указанному пользователем. Текущая структура БД отображается в виде иерархии рубрик описания информации системы.

Подсистема контроля интерфейса (КИ). Доступ к данным осуществляется двумя способами. Возможно применение сторонних программных продуктов (разработанных независимо от СОФИ). В этом случае БД продукта присоединяется к БД СОФИ как вторичная БД с автоматизированным синтезом рубрик описания (функция подсистемы ФСД), а вызов приложения включается пользователем в интерфейс СОФИ с помощью подсистемы КИ. При этом остальным подсистемам СОФИ становятся доступны новые данные, а функциональность присоединенного приложения полностью сохраняется. Недостатком этого подхода является определенная сложность при изменении структуры присоединенной БД: возможно только добавление новых рубрик, а доступ к хранящейся в новых полях информации невозможен средствами сторонней системы.

Второй подход к организации данных заключается в автоматизированном синтезе форм доступа к данным (создание элементов редактирования и поиска данных). Для каждого информационного массива в составе БД СОФИ автоматически формируется иерархия форм (ввода и поиска данных) в соответствии с представлением данных в таблицах и связей таблиц. В режиме редактирования КИ позволяет перераспределить элементы управления по формам, объединить или разъединить группы форм, изменить их оформление. При этом вид элемента управления определяется абстрактным типом данных, заданным пользователем на этапе организации данных (на этапе присоединения внешних данных). Стандартные (по умолчанию) свойства элементов управления для каждого абстрактного типа хранятся в библиотеке типов. Библиотека открыта для пополнения и модификации, что позволяет модернизировать интерфейс системы и предоставлять доступ к данным непредусмотренного ранее типа.

В режиме выполнения КИ обеспечивает переход между формами, вызов процедур обработки данных, связь элементов управления с данными, позволяя модифицировать данные текущего информационного массива. Автоматически сформированная иерархия форм сразу может быть использована для доступа к данным, редактирование позволяет оптимизировать ее для большего соответствия решаемым задачам. В случае применения автоматически сгенерированных форм (как для собственных, так и для присоединенных данных) обеспечивается унификация внешнего вида подсистем. При необходимости изменения интерфейса производится изменение вида элементов управления (модификация библиотеки типов) или замена подсистемы КИ.

Имеется возможность совместить два описанных способа доступа к данным. Для этого в состав системы может быть включен комплект ActiveX-компонентов, включение которых в формы приложения на этапе разработки обеспечит (после присоединения готового приложения к системе СОФИ по первому методу) доступ к дополнительным данным соответствующего информационного массива средствами подсистемы КИ.

Подсистема мастер пополнений (МП) предоставляет средства для регулярного обновления информационного и программного обеспечения системы СОФИ. Корректно выполняются пополнение информационных массивов системы, расширение иерархии имеющихся ИПЯ, обновление ряда подсистем и служебных библиотек.

Система ориентирована на работу под управлением операционных систем WINDOWS-95/NT. В зависимости от варианта установки требует от 15 до 90 Мб дискового пространства. Рекомендуемый объем оперативной памяти 32 Мб.

Существует сетевая версия системы, реализованная на основе Internet (Intranet)-технологий [10]. Версия предназначена для обеспечения совместного доступа к физической информации в локальных и глобальных сетях. Доступ к данным предоставляется средствами WWW-браузера.

Рассмотренная система разрабатывалась как универсальное и удобное средство поддержки процесса проектирования. Обладая большими возможностями по настройке и модульным строением, СОФИ может быть адаптирована к конкретной предметной области и оптимизирована для решения конкретных задач; продуманный механизм модернизации, средства поддержки гибкой структуры данных позволяют накапливать информацию, предоставляемую группами пользователей и разработчиками системы, контролировать изменения в составе функций и в интерфейсе СОФИ. Подсистема ИППП формирует дружественную среду проектирования, позволяя сосредоточить внимание на формализации решаемой задачи; содержит множество рекомендаций и известных решений. Реализованные процедуры принятия решений позволяют получить первичную оценку (по совокупности формальных критериев) перспективности рассматриваемого направления проектирования. Эти и ряд других наукоемких процедур поддержки процесса проектирования, позволяют значительно повысить качество и производительность работ изобретателей, инженеров-конструкторов, проектировщиков новой техники.

Авторы приглашают к сотрудничеству всех интересующихся проблемами автоматизации проектирования технических объектов и технологий. Вопросы и предложения просьба направлять по адресу cad@vstu.ru (E-mail).

Список литературы

1. Фоменков С.А., Гришин В.А., Камаев В.А. Представление и использование физических знаний при поисковом конструировании изделий машиностроения: Учебное пособие/ВолгГТУ, Волгоград, 1994. – 121 с.

2. Карачунова Г.А., Колесников С.Г., Фоменков С.А. Структура описания физических знаний для автоматизированных банков данных //Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ. – 1995. – № 1. – С. 49-56.

3. Карачунова Г.А., Колесников С.Г., Костерин В.В., Фоменков С.А. Автоматизированная информационно-поисковая система по физическим эффектам //Электродинамика и техника. – 1995. – № 1. – С.49-56.

4. Камаев В.А., Фоменков С.А., Карачунова Г.А. Автоматизированная информационно-поисковая система по физическим эффектам. //Сб. науч. тр.: Инновационное образование и инженерное творчество. - М.: Российская ассоциация науч.-техн. творч. «Эвристика», 1994. – С. 87-90.

5. Фоменков С.А., Петрухин А.В., Камаев В.А., Давы- дов Д.А. Представление физических знаний для автоматизированных систем обработки информации. – Волгоград: ТОО «Принт», 1998. – 152 с.

6. Фоменков С.А., Колесников С.Г. Представление физических знаний в автоматизированном банке физических эффектов //Изв. вузов. Машиностроение. – 1998. –  №1-3. –  С. 55-61.

7. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. – М.: Машиностроение, 1988. – 368 с.

8. Техническое творчество: теория, методология, практика. Энциклопедический словарь-справочник./Под ред. А.И. Половинкина, В.В. Попова. – М.: НПО «Информ-система», 1995. – 408 с.

9. Петрухин А.В., Фоменков С.А., Камаев В.А. Использование физических знаний при решении задач концептуального проектирования технических объектов //Изв. вузов. Машиностроение. – 1997. –  №1-3. – С. 29-32.

10. Петрухин А.В., Фоменков С.А., Колесников С.Г. Архитектура автоматизированной системы концептуального проектирования технических объектов и технологий с использованием структурированного описания физической информации (СОФИ) для сетевых приложений //Изв. вузов. Машиностроение. – 1998. – № 4-6. – С. 52-56.