Software & Systems

Каждое изделие в процессе смены этапов своего жизненного цикла представляется в компьютерной среде в виде различных информационных моделей [1]. Эти модели имеют иерархическую соподчиненность в связи с тем, что каждая последующая модель является более детальной или содержит дополнительную информацию. Последующие модели включают в себя полностью или частично предыдущие. Иерархия информационных моделей представлена на рисунке 1.

Изделия служат для удовлетворения определенных общественных или индивидуальных потребностей. Потребность в технической системе представляется в виде [2]:

P = (D, G, H),

где D – указание действия, приводящего к реализации интересующей потребности; G – указание объекта, на который направлено действие; H – указание особых условий и ограничений, при которых выполняется действие D.

Описание технической функции содержит информацию:

·о потребности, которую должен удовлетворить технический объект (ТО);

·о физической операции (превращении, преобразовании), с помощью которой реализуется потребность

F = (P, Q),

где P – потребность в ТО; Q – физическая операция преобразования входного операнда Od1 в выходной Od2

Q: Od1 ® Od2.

Физическую операцию (ФО) можно представить в виде [2]:

Q = (At, E,  Ct) или Q = (At ® E ®  Ct),

где At – входной поток, E – операция превращения At в Ct; Ct – выходной поток.

Приведенные на рисунке 1 модели генерируются на различных стадиях процесса создания изделия: техническая функция и частично функциональная структура  (ФС) содержатся в техническом задании; на стадиях технического предложения и эскизного проекта, образующих в совокупности этап концептуального проектирования, формируются функциональная структура и принципиальная схема (ПС) изделия, а также основные технические решения (ТР); на стадии технического проекта завершается формирование технических решений, отображаемых на общем виде изделия; рабочая документация (РД) содержит полное описание изделия как физического объекта, необходимое для проектирования ТП и подготовки УП; спецификация изделия, содержащаяся в РД, а также информация о необходимых ресурсах используются для планирования производства.

Между моделями,  изображенными на рисунке 1, имеется отношение цель-средство. Потребность в определенной системе (цель) реализуется посредством технического объекта, выполняющего определенные технические функции. Функциональная схема является средством реализации этих функций. Функциональная структура (как цель) может быть реализована различными принципиальными схемами (как средством). Принципиальные схемы (как цель) могут быть реализованы различными конструктивными схемами. Спроектированное изделие может быть изготовлено с использованием различных технологий.

Отношение цель-средство отражает процесс синтеза, при котором, исходя из поставленной цели разработки системы, можно найти средства, пригодные для ее достижения.

При формировании функциональных и принципиальных схем, выполняемых в процессе концептуального проектирования, геометрическое моделирование не используется. В этой связи традиционные CAD/CAM системы бессильны помочь инженеру на начальных этапах его работы. По этой же причине они бесполезны и для построения технологических процессов, когда требуется логический анализ свойств изделия как физического тела.

Исследование или разработка любой сложной системы должны начинаться с функционального анализа и моделирования системы в целом и всех ее подсистем. Для этой цели разработана методология IDEF0 [3], представляющая собой совокупность методов, правил и процедур, предназначенных для построения функциональной структуры сложных иерархических систем. Методология IDEF0 позволяет повысить производительность труда и уменьшить вероятность появления ошибок при анализе систем.

Основной принцип, заложенный в функциональное моделирование систем, состоит в их пошаговой нисходящей декомпозиции до уровня, необходимого для целей моделирования. Каждый шаг декомпозиции соответствует некоторому уровню абстрактности представления системы.

Язык спецификации функциональной модели – набор графических знаков, помеченных предложениями на естественном языке, и правил их применения. Функциональная модель системы – набор графических диаграмм на языке функционального моделирования (ЯФМ), описывающих систему на одном или нескольких уровнях абстрагирования. На диаграммах функции отображаются в виде блоков, а их связи – в виде стрелок (рис. 2).

Применение методологии IDEF0 для функционального анализа машиностроительных изделий рассмотрим на примере водометного движителя с гребным винтом.

Формулировка потребности в водометном движителе представлена в таблице 1 и заключается в сообщении тяги катеру. Основная физическая рабочая операция состоит в сообщении рабочему телу (жидкости) механической энергии, что приводит к увеличению ее скорости.

На рисунке 3 изображена функциональная модель водометного движителя. Функциональный блок IDEF0 на верхней схеме представляет технический процесс, реализуемый движителем. Наименование блока содержит описание потребности из таблицы.

Вход и выход представляют собой описания соответственно входного (At) и выходного (Ct) потоков физической операции Q. Механизмом реализации технического процесса является водометный движитель, подлежащий проектированию. Разработка функциональной схемы ТО сводится к декомпозиции методами стандарта IDEF0 блока нулевого уровня, содержащего функциональную модель ТО как черного ящика (рис. 3).

Функциональная декомпозиция водометного движителя первого уровня представлена на нижней схеме рисунка 3.

Она содержит детализацию технического процесса. В этом процессе подготовительные операции заключаются в заборе рабочего тела и в изменении направления движения, скорости и давления этого тела. Основные операции – это передача механической энергии и соединение с ней рабочего тела. Окончание – трансформация энергии рабочего тела, формирующая реактивную струю и тягу.

Каждая операция имеет свой механизм реализации, представляющий собой узел изделия (см. рис. 3). На каждом уровне функциональной декомпозиции производится поиск механизмов реализации выделенных функций. Этими механизмами могут быть стандартные, унифицированные, покупные детали и узлы, а при отсутствии таковых – оригинальные детали и сборочные единицы, подлежащие проектированию.

Результаты функционального анализа позволяют перейти к решению проблемы структурного синтеза. Для этого необходимо построить И/ИЛИ граф (концептуальный), содержащий все возможные альтернативы построения принципиальных схем изделия. Основу для этого графа составляет дерево механизмов реализации функциональных блоков, полученное в результате декомпозиции по методологии IDEF0. Вершинами концептуального И/ИЛИ графа являются объекты, моделирующие элементы конструкции изделия.

Рассмотрим концептуальный И/ИЛИ граф на примере построения системы данных для редукторов. Фрагмент IDEF1 диаграммы такой системы представлен на рисунке 4. Между родовым объектом “Редуктор” и объектами, представляющими собой разновидности родового объекта, имеет место отношение категоризации. Модель данных родового объекта содержит свойства, включающие исходные данные для проектирования редуктора – передаточное число, частоту вращения и вращающий момент на выходе, время работы передачи и взаимное расположение входного и выходного валов, а также вид редуктора. Последняя переменная является дискриминантом, определяющим выбор одного из возможных решений. Это решение выбирается в зависимости от передаточного числа и взаимного расположения входного и выходного валов. Это расположение может принимать значения: параллельное, соосное, пересекающееся перпендикулярное, скрещивающееся перпендикулярное, пересекающееся неперпендикулярное и скрещивающееся неперпендикулярное.

Например, в случае параллельных осей и передаточном числе не более 43 может быть использован цилиндрический одноступенчатый редуктор, а при соосном расположении осей и передаточном числе более 2500 – волновой.

Объекты-категории наследуют все свойства родового объекта, к которым добавляются специфические свойства, присущие только данному варианту редуктора. Например, в случае простейшего одноступенчатого цилиндрического редуктора для осуществления расчетов необходимо назначить материал, термообработку колеса и шестерни. Далее должны быть заданы свойства, подлежащие расчету и необходимые для вычерчивания сборочных чертежей эскизного и рабочего проектов. При этом в число свойств включаются только сопряженные и присоединительные размеры сборочной единицы, а также соответствующие посадки, допуски расположения и другие технические требования, отображаемые на сборочных чертежах.

Между объектом, содержащим модель данных сборочной единицы, и входящими в нее узлами и деталями существуют идентифицирующие отношения. При этом происходит миграция ключей: зависимый объект наследует ключи независимого. Аналогичная связь существует между моделями данных изделий и соответствующими технологическими процессами (см. рис. 4).

Модель данных детали должна содержать все переменные, необходимые для генерации рабочего чертежа деталировки, а модель данных технологического процесса – все переменные, которые используются в соответствующих технологических документах.

Модели данных материалов связаны с моделями изделий неидентифицирующими отношениями. Это означает, что ключевой атрибут материала используется в качестве неключевого атрибута изделия.

Объект представляет абстракцию множества экземпляров предметов реального мира, имеющих одни и те же свойства и правила поведения. Свойства объекта описываются моделями данных (рис. 4), а правила поведения – порождающей системой, чаще всего структурированной (рис. 5).

Состояние объекта определяется перечнем его свойств с текущими значениями. Объект со значениями всех его свойств определяет экземпляр, моделью которого является кортеж соответствующего реляционного отношения из системы данных. В число свойств объекта включаются его идентификатор, а также указывающие, описывающие и вспомогательные атрибуты. Последние два типа атрибутов делятся по отношению к методу объекта на входные и выходные (рис. 5). Описательные атрибуты определяют свойства, внутренне присущие объекту, а вспомогательные – его структурные связи с экземплярами других.

Интеллектуальным является объект, проведение которого определяет база знаний. Активный объект или агент – это объект, способный изменять свое состояние, используя информацию о состоянии смежных объектов[1]. Для этого агенты объединяются в структурированную исходную систему, называемую мультиагентной. Носителем модели такой системы являются объекты и их свойства, а сигнатурой – семантическая сеть, используемая операционной средой для передачи информации, активизирующей поведение агентов. В результате этого формируется некоторое множество экземпляров агентов, являющихся целью всего процесса.

Метод объекта представляет собой обобщение понятия функции. В этой связи агент может быть назван объект-функцией. Классическое понятие определяет функцию в самом широком смысле как произвольное правило, относящее каждому значению x  из области определения этой функции Dx  некоторое значение y = f(x) из области изменения значений функции. Символ f обозначает правило преобразования, которое в случае конструктивного определения функции представляет собой таблицу ее значений или правило вычисления значений с помощью известных операций.

Функция n переменных y = f(x1, x2, ..., xn) относит упорядоченному множеству значений независимых переменных x1, x2, ..., xn  значение зависимой переменной y. При этом аргумент может рассматриваться как вектор X = (x1, x2, ..., xn). Тогда y представляет собой скалярную функцию векторного аргумента.

Наконец, упорядоченное множество скалярных функций векторного аргумента определяет вектор-функцию векторного аргумента. Эта функция может быть записана в виде Y = F(X), где Y = (y1, y2, ..., ym), а F = (f1, f2, ..., fm).

В математике изучаются действительные и комплексные функции и переменные. В информатике рассматривается более широкий набор типов переменных, который, в частности, включает перечисляемые символьные переменные, принимающие, например, значения из множества слов. В этой связи можно ввести понятие информационных векторов Y и X, компоненты которых могут иметь различные простые типы данных, например вещественный, целый и перечисляемый. Такой набор достаточен для решения инженерных задач методами искусственного интеллекта.

Функциональные отношения порождающих систем являются обобщенными, так как в них могут использоваться как числовые, так и нечисловые переменные.

Порождающая система в САПР должна обеспечивать решение двуединой задачи – структурного и параметрического синтеза изделий и технологических процессов. Например, при проектировании редуктора порождающая система должна выбрать одну из его разновидностей в зависимости от передаточного числа и взаимного расположения входного и выходного валов. Чтобы спроектировать такую деталь, как ось, нужно получить расчетное значение диаметра оси в зависимости от изгибающего момента и свойств ее материала, а затем выбрать из таблицы стандартных размеров строку с ближайшим большим по отношению к расчетному значением стандартного диаметра.

Элементарная порождающая система в САПР представляет собой обобщенный функциональный блок.

Наиболее удачным и широко распространенным представлением функциональных блоков является стандарт IDEF0. В этом стандарте функциональный блок имеет конструкцию, приведенную на рисунке 2.

Теоретическую схему (рис. 2) необходимо представить в форме, удобной для их определения человеком при вводе знаний в компьютер [3,6]. Наиболее простой формой является таблица (рис. 6).

Такая таблица содержит все элементы функционального блока, представленного на рисунке 2. Наименования параметров должны выбираться из словаря системы, как и их имена-идентификаторы, необходимые для написания формул. Условие представляет собой ограничения, накладываемые на входные и управляющие параметры и определяющие область определения функции, реализуемой модулем.

На рисунке 7 приведены примеры модулей инженерных знаний, используемые для формирования методов объектов. Первый модуль производит расчет коэффициента быстроходности насоса водометного движителя при условии, что известны положительные значения числа оборотов колеса, расхода жидкости и напора насоса. Второй модуль обеспечивает элемент структурного синтеза – выбор типа узла. Решение задач структурного и параметрического синтеза компьютер производит автоматически с помощью решателя, осуществляющего логический вывод в базе знаний продукционного типа.

Шаг метода на рисунке 5 может состоять из одного или множества модулей инженерных знаний, объединенных в семантическую сеть.

Высшей ступенью организации знаний являются мультиагентные системы распределенного интеллекта. Они образуются наложением структуры И/ИЛИ графа на мультиагентную систему. На рисунке 8 приведена такая структура применительно к проблематике автоматизированного проектирования изделий (межагентные информационные связи на этом рисунке не показаны).

На рисунке 8, например, агенты A, B и C связаны с подчиненными по иерархии целое-часть агентами связями типа И, а агенты E, L и S – связями типа ИЛИ. С помощью последних осуществляется синтез вариантов структур изделий, управляемый вспомогательными атрибутами агента-родителя. Параметрический синтез производится мультиагентной системой посредством использования методов агентов и обмена информацией между ними.

Метасистема содержит знания обо всем множестве известных ее авторам вариантов решений. В результате проектирования, началом которого является ввод исходных данных в агент высшего уровня (например A на рис. 8), получаются текстографические данные, содержащие проект одного экземпляра изделия, удовлетворяющего требованиям исходных данных.

Принципиальным отличием описываемой новой методологии от старой является то, что если при алгоритмическом подходе процессом управляют команды, использующие данные, то в новой технологии бал правят данные с помощью команд. Это происходит как на микроуровне внутри агентов, что дает основание говорить о распределенном интеллекте, так и на макроуровне – в мультиагентном пространстве.

Мультиагентная метасистема представляет собой модель множества изделий, правила проектирования которых известны разработчику. В этом смысле такая модель описывает виртуальное изделие, используемое для получения конкретных экземпляров, удовлетворяющих соответствующим техническим заданиям. Агенты метасистемы могут быть распределены на сети автоматизированных рабочих мест специалистов различного профиля, обеспечивая кооперативное взаимодействие их в процессе совмещенного проектирования.

Поддержку создания и использования мультиагентной метасистемы обеспечивает интегрированная метаинструментальная система ²СПРУТ² [4], в состав которой входит полный набор необходимых подсистем, включая реляционную и иерархическую графическую СУБД, подсистемы генерации моделей данных и баз знаний, подсистемы геометрического моделирования на плоскости и в пространстве, подсистему генерации многооконного графического интерфейса, монитор и другие подсистемы. Описанная выше методология автоматизации проектирования в совокупности с упомянутыми инструментальными средствами определяет СПРУТ–технологию [4], которая в течение ряда лет успешно применяется для комплексной автоматизации подготовки производства на предприятиях различного профиля.

Список литературы

1. Евгенев Г.Б. Новые горизонты проектирования – от концептуального до технологического// Компьютер Пресс. – 1997. -№6.

2. Половинкин А.И. Основы  инженерного творчества. – М.: Машиностроение, 1988.

3. Марка Д.А., Макгоуэн К.  Методология структурного анализа и проектирования. /Пер. с англ. – М.: Метатехнология, 1996.

4. Evgenev G., Kovalevsky V. SPRUT – Integrated Environment for Engineering Knowledge Computer Processing/ Proceedings of International Conference "Information Technology in Design" - EWITD'96. ICSTI, 1996. p. 38-45.

5. Евгенев Г.Б. Как я пришел к СПРУТ-технологии// Компьютер Пресс. –1997. -№3.

6. Евгенев Г.Б., Безбородов В.В. СПРУТ-технология. Компьютеризация инженерных знаний// САПР и Графика. – 1997. -№12.