Глава 9. Структура и принципы функционирования интеллектуальной сапр

9.1. Структура и функции интеллектуальной САПР

До последнего времени все САПР, реализующие в той или иной мере процесс автоматизированного проектирования, работали по жестким, не гибким алгоритмам. Эта жесткость проявлялась в регламентированности выполнения проектных процедур, использовании детерминированных программ получения решений без учета эвристических приемов и навыков конструкторов-разработчиков.

Особенностью таких САПР является то, что они не ориентированы на сохранение специальных знаний разработчиков. Это было вызвано тем, что в базах данных таких САПР хранятся лишь окончательные результаты принятых проектных решений. При этом промежуточные решения и сделанные выводы и обоснования часто неформального характера, основанные т на опыте и интуиции разработчиков, которые привели к этим результатам. Это усложняет впоследствии возможность выявления ошибочных решений, затрудняет применение специальных знаний опытных разработчиков в виде методов принятия проектных решений неквалифицированными пользователями САПР.

Таким образом, в современных САПР специальные знания выражены неявно, и доступ к ним практически невозможен, что не позволяет управлять процессом накопления этих знаний для будущего их эффективного использования. Кроме того, такие САПР требуют от разработчиков определенных часто необоснованно повышенных знаний в области программирования и работы на ЭВМ. Получение этих знаний отвлекает разработчиков от углубленного изучения предметной области проектирования. Устранение этих недостатков САПР лежит в реализации принципов структурированности, распределенности и интеллектуальности.

Принцип структурированности САПР реализуется ее техническим обеспечением с помощью локальных вычислительных сетей. При этом большое значение приобретают транспьютерные сети, которые позволяют по-новому организовать вычислительный процесс в САПР, выполняя его по принципу «эстафетного бега». Программа проектирования в таком случае представляется графом. Каждой вершине этого графа ставится в соответствие проектная процедура, причем каждой вершине этого графа ставится в соответствие также транспьютер, который реализует эту процедуру. Дуги графа осуществляют связи между транспьютерами. Граф в целом соответствует транспьютерной сети. Транспьютер ожидает получения всех данных для выполнения соответствующей операции, выполняет ее и передает результат по информационным каналам следующим транспьютерам.

Принцип интеллектуальности САПР состоит в систематическом накапливании знаний специалистов в базе знаний (БЗ) САПР, использовании этих знаний при автоматизированном проектировании.

В общем виде структура такой интеллектуальной САПР должна содержать следующие компоненты: базу знаний (БЗ); библиотеку программных модулей (ПМ); диалоговый формирователь логических схем проектирования (ЛСП), базу данных (БД) для проектирования; БД для управления; специализированную СУБД; систему управления (см. рис. 3.1)

База знаний представляет собой совокупность иерархически взаимосвязанных описаний технологии проектирования и со­держит данные о комплексе задач, которые реализуются про­ектирующей системой в процессе функционирования.

Рис.3.1. Структура интеллектуальной САПР

Структурно БЗ можно представить в виде древовидного графа (рис. 3.2), каждая вершина которого отождествляется опреде­ленным понятием (наименование вида проектирования, стадий или этапа работы операции,

структурного элемента проектирующей системы). Если обозначить искомую задачу проектирования (ИЗП), которая определена на уровне d₀, через R⁰, то множество операций , расположенных на уров­не d(d>d₀) и связанных по вертикали с R⁰, представляет со­бой полное описание R⁰ с определенной степенью детальности, т. е. .

Рассмотрим назначение и функции каждого компонента структуры

Очевидно, что для определения схемы взаимосвязи задач (операций) на любом уровне d>d₀ достаточно определить ее на конечном уровне декомпозиции . Отображение множества на множество находится на основе сопоставления дан­ных, используемых и получаемых при выполнении различных операций и и определяет модель технологии проектирования в виде сети , названную обобщенной логической схемой проектирования (ОЛСП).

Каждая локальная задача (операция) из ОЛСП реализует­ся определенным структурным элементом проектирующей си­стемы, который фиксируется в БЗ на самом ее нижнем -м уровне.

Таким образом, анализ ОЛСП позволяет ус­тановить соответствие между технологией автоматизирован­ного проектирования и. структурой проектирующей системы как некоторую проекцию множества локальных задач ОЛСП на множество имеющихся в наличии проектировщиков, техно­логического оборудования и инструментальных средств.

Библиотека ПМ САПР представляет собой совокупность разработанных или заимствованных пакетов прикладных программ (ППП), каждый из которых реализует решение определенной проектной задачи из мно­жества функциональных задач (операций), содержащихся в ОЛСП. Иными словами,

библиотека ПМ есть подмножество операций, зафиксированных в ОЛСП и выполняемых на ЭВМ (с использованием машинного ресурса). Обязательным требованием к ПМ является следующее:

Рис. 3.2. Древовидный граф базы знаний САПР

имя ПМ (если ПМ строится по принципу главная программа — подпрограммы, то дается имя главной программы) и его функциональное на­значение должны в точности совпадать с именем и функцио­нальным назначением соответствующей проектной операции в ОЛСП.

Диалоговый формирователь логической схемы проектирования (ДФЛОП) представляет собой пакет программ для формирования в рамках имеющейся БЗ конкретной (рабочей) модели, технологии проектирования. Задача заключается в том, чтобы выбрать нужную ОЛСП и согласовать ее с особенностями заданного объекта проектирования, т. е. осуществить «привязку» ОЛСП к объекту. Процесс согласования (или «привязки») ОЛСП, реализуемый с помощью ДФЛСП и БЗ, определяет входной язык САПР как язык диалога проектировщика с ЭВМ. Причем словарь этого языка содержит только такие предложения, которые присут­ствуют в БЗ, т. е. входной язык САПР является естественным (профессиональным) языком конечного пользователя системы. Результатом привязки является ЛСП.

База данных для управления содержит в качестве ядра на­бор ЛСП. Каждая ЛСП выполняет одновременно функцию межмодульного интерфейса для библиотеки ПМ и алгоритма выполнения определенного проекта в проектирующей (орга­низационно-технической) системе.

С каждой конкретной опе­рацией ЛСП могут быть связаны такие данные, как сроки, нормативы трудоемкости, требуемое количество и состав ре­сурса проектирования, текущее состояние (характеристика ситуации). Кроме того, рассматриваемая БД может содержать сведения о наличных ресурсах, плановых и ожидаемых сроках выполнения отдельных этапов работ и каждого проекта в целом. Данные, описывающие ЛСП, содержатся в БД в табличной форме (в виде таблиц управления).

База данных для проектирования содержит данные НСИ, инвариантной по отношению к проектируемым объектам, и данные оперативной информации (входной, промежуточной и результирующей) по конкретному объекту или проекту. Ло­гическая структура рассматриваемой БД обусловлена прин­ципом построения БЗ САПР, в процессе построения которой определяются данные, используемые для решения каждой задачи, входящей в состав ОЛСП, и способ получения этих данных (результат решения другой задачи, норматив, каталог оборудования, справочник и т. д.). Тем самым оказывается возможным заранее определить полный состав данных, тре­буемых для решения каждой задачи из ОЛСП и для всей си­стемы в целом. Поэтому целесообразно все данные для проектирования содержать в интегрированной базе с указанием имени задачи из ОЛСП, для которой они используются.

Единая для любой САПР логическая структура БД, которая может быть спроектирована заранее для всей системы и не требует построения сложных взаимосвязей между данными, делает эффективным использование специализированной СУБД.

Специализированная СУБД САПР в качестве главной функций осуществляет поиск данных, требуемых для реализа­ции конкретного ПМ, в БД для проектирования, поставляя их в виде локальных БД табличной структуры.

Рассмотренная логическая структура данных в БД для про­ектирования обеспечивает при использовании такой СУБД эф­фективную связь ПМ с данными, простой метод поиска дан­ных в базе благодаря тому, что вход в БД осуществляется только из одной точки (имени ПМ или задачи).

Система управления САПР (СУ САПР) организует процесс проектирования в проектирующей системе в точном соответствии с заданным набором ЛСП путем формирования, команд на выполнение ПМ САПР в мультипрограммном режиме и выдачи информации, регламентирующей процесс взаимодействия подразделений проектировщиков между собой и со средствами автоматизированного проектирования. Поскольку каждая ЛСП выполняет функцию алгоритма проектирования в некоторой организационно технической системе, основное назначение СУ САПР в общем случае заключается в реализации параллельно последовательного выполнения заданного множества алгоритмов, проектирования в сочетании с распределением и «увязыванием» для этого наличных ресурсов проектирующей системы (машинных и трудовых).

При описании процесса проектирования исходим из того, что во внешней памяти ЭВМ создана необходимая для функционирования САПР БЗ фреймовой структуры. В этом случае процесс проектирования для любой целевой САПР начинается с формирования модели технологии проектирования, соответствующей заданному объекту. Для этого пользователь САПР (руководитель проекта) определяет исходную задачу проектирования (ИЗП), устанавливает границы периода, на котором должен выполняться проект. Используя эти данные, ДФЛСП извлекает из БЗ соответствующий фрейм, на основе которого формирует на экране дисплея последовательно шаг за шагом серию вопросов руководителю проекта с целью определения терминалов фрейма, которые необходимо удалить.

Информация на экране представляется в виде «меню», читая которое, пользователь отмечает те позиции, которые следует удалить. Информация, высвечиваемая на каждом последующем шаге, формируется с учетом выбора, который пользователь сделал на предыдущих шагах. Примерами «меню» в САПР АСУ являются: виды разрабатываемой документации, специальность разработчиков, привлекаемых для разработки каждого вида документа и т. д.

Одновременно с просмотром «меню» пользователю предо­ставляется возможность корректировки норматива продолжи­тельности операций и количества требуемого трудового ре­сурса.

После удаления «лишних» терминалов из фрейма ИЗП ДФЛСП автоматически синтезирует модель технологии проек­тирования заданного объекта в виде ЛСП и формирует БД для управления. Часть операций, содержащихся в ЛСП, при этом будет выполняться с использованием библиотеки ПМ САПР, остальные — в специализированных подразделениях проектировщиков.

Далее приводятся в действие программы СУ САПР, которые регламентируют процесс реализации содержащегося в БД для управления набора ЛСП (логическая схема проектирования) (таблиц управления) при заданных ресурсных, временных и технологических ограничениях. Из таблицы управления берется имя ПМ, вызываемого на выполнение в те­кущий момент времени. Это имя передается в СУБД САПР, которая, взаимодействуя с БД для проектирования, по имени ПМ формирует необходимый для его работы набор файлов. После этого в ОС ЭВМ передается задание на выполнение данного ПМ.

Аналогичным образом реализуется каждый ПМ из содержа­щегося в таблице управления перечня.

В общем случае при условии достижения согласованных действий организационной и технической частей проектирую­щей системы имя ПМ определяется на основе задачи распре­деления ресурсов.

В СУ САПР должна быть предусмотрена возможность ап­риорной оценки последствий влияния различных факторов на процесс проектирования, поскольку момент вызова ПМ на вы­полнение, главным образом, определяется той производствен­ной ситуацией, которая складывается в организационной части проектирующей, системы.

9.2. Интеллектуальные системы в САПР

Построение интеллектуальной САПР, структура и функции которой были описаны выше, представляет собой крайне сложную задачу. Для ее решения может быть предложен подход, ориентированный на разработку отдельных интеллектуальных систем (компонент) САПР, реализующих отдельные проектные процедуры или комплекс таких процедур, с последующей стыковкой этих компонент с детерминированными проектными процедурами, которые реализуются существующими, традиционными САПР. В общем случае интеллектуальные компоненты САПР могут быть отнесены к одному из следующих четырех типов:

1. Интеллектуальные (естественно-языковые) информационно - поисковые системы (интеллектуальные системы доступа к данным). В отличие от обычных ИПС они способны организовывать поиск на основе семантических, понятийных признаков. Такие системы позволяют, например, автоматически извлекать нужные проектировщику знания из технической литературы, относящиеся к тому или иному понятию, систематизировать их по различным признакам.

2. Интеллектуальные расчетно-логические системы. Позволяют решать задачи по их постановкам в терминах предметной области на профессиональном языке пользователя. Определяющими компонентами таких систем является база знаний с библиотекой прикладных программных модулей и подсистемой вывода решения. Библиотека модулей образует базисный набор сравнительно простых программ, композицией которых можно получить решение многих задач, возникающих в данной предметной области.

3. Интеллектуальные пакеты прикладных программ. Как правило, в этих программах используется объектно-ориентированное программирование, т.е. программирование в той предметной области, которой занимается пользователь. При этом пользователь освобождается от необходимости писать программу на алгоритмическом языке, так как она составляется автоматически. Интеллект такой системы проявляется не только в автоматизации программирования, но и в возможности ее настройки на различные предметные области путем формирования пользователем на специальном мета языке тех понятий, которыми он будет пользоваться.

4. Экспертные системы. Это интеллектуальные системы-советчики, предназначенные для получения рекомендаций в тех случаях, когда для этого нужно иметь очень много знаний. Аккумулируя в себе знания многих экспертов-специалистов, такие системы позволяют даже малоопытному инженеру работать на уровне специалиста высокой квалификации. Характерным для этого класса систем является использование алгоритмов и стратегий логического вывода, содержащихся в базе знаний, и специальной подсистемы объяснений. Из всех типов промышленных интеллектуальных систем экспертные системы нашли наибольшее распространение в САПР.

Укрупненная схема САПР с интеллектуальными компонентами представлена на рис. 3.4.

Рис 3.4.Укрупненная схема САПР с интеллектуальными

компонентами

 

Для нее характерно разделение данных (хранятся в базе данных САПР), наличие специальных правил и знаний (хранятся в базах знаний соответствующих интеллектуальных компонент САПР) и методов решения проектных задач в виде пакетов прикладных программ (хранятся в библиотеке ППП САПР).

Ядром такой САПР является обучаемый монитор (подсистемы управления), который:

1) отображает состояние каждого файла и его отношений в текущий момент проектирования;

2) осуществляет выбор и контроль за выполнением функций подсистем САПР;

3) выполняет перевод исходного описания данных во внутримашинном представлении;

4) организует обращение к базе данных и пакетам прикладных программ (ППП);

5) позволяет осуществлять обращение по запросам пользователей к экспертным компонентам САПР для организации помощи при принятии решений или при оценке состояния объекта проектирования.

Можно выделить несколько классов задач автоматизированного проектирования, где эффективно применение интеллектуальных компонент. Каждая из этих задач связана с выполнением определенной проектной процедуры в общей схеме процесса автоматизированного проектирования. Рассмотрим эти процедуры и реализующие их интеллектуальные компоненты САПР.

1. Одной из наиболее ответственных проектных процедур является анализ технического задания (ТЗ). Его целью является выделение множества варьируемых параметров Х проектируемого объекта, множества параметров Y, которые определяют среду функционирования объекта, а также метрического пространства критериальных показателей R_G, по которым происходит оценка качества проектированного объекта.

В общем случае процедуры анализа ТЗ относятся к начальной стадии проектирования технической системы (ТС) и включает в себя следующие этапы:

1. определение потребности в проектируемой ТС

2. формирование тактико-технических требований к ТС

3. формирование функциональной структуры ТС

4. разработка принципа действия ТС

5. разработка технического решения.

II. Проектная процедура структурного синтеза проектируемого объекта на основе библиотек законченных и обобщенных структур, базовых и макроэлементов прежде всего целесообразна для тех классов проектируемых объектов, где велика степень унификации составляющих узлов и деталей. В этом случае перед конструктором стоит задача, исходя из требований ТЗ, определить состав будущего объекта на уровне типовых составляющих, подобрать из библиотек базовых и макроэлементов для каждого типа его конкретный экземпляр, проверить допустимость объединения выбранных экземпляров в конструкцию. На формальном уровне эту задачу можно сформулировать следующим образом. Необходимо на множестве типовых и обобщенных структур А найти такую структуру и на множестве возможных значений варьируемых параметров Х найти такое значение , чтобы в заданной среде функционирования объекта проектирования Y имели место следующие соотношения:

либо, при отсутствии целевой функции :

, где m – общее число показателей, по которым оценивается проектируемый объект.

Решение этой задачи аналитическими методами для сложных объектов проектирования не представляется возможным как из-за большой размерности, так и, что самое главное, значительной неопределенности в самой критериальной функции и системе ограничений. Поэтому для ее решения применяют эвристические методы и алгоритмы, отражающие в той или иной мере знания, опыт и интуицию инженеров-разработчиков.

III. Проектные процедуры параметрического синтеза связаны с оптимизацией номинальных значений параметров элементов и их допусков, идентификацией модели, которая заключается в расчете параметров, используемых в математической модели. Для выполнения этих операций разработано и используется большое количество пакетов прикладных программ, работа с которыми часто бывает затруднена из-за сложности представления исходной задачи проектирования в форму, которая предопределена структурой пакета. В связи с этим возникает задача внедрения средств интеллектуального интерфейса для работы с пакетами прикладных программ, обеспечивающего выполнение следующих функций:

- сведение рассчитываемой конструкции или схемы проектируемого объекта к заданной расчетной схеме (модели), реализованной в пакете, показ невозможности выполнения пакетом тех или иных расчетов;

- семантический анализ входной информации с целью облегчить работу пользователя с пакетом, избавив его от изучения тонкостей описания расчетной модели, в том числе предостережение от задания данных, приводящим к неверным результатам;

- анализ результатов расчетов, их интерпретация на содержательном уровне с использованием ограниченного естественного языка, применяемого в соответствующей предметной области.

Параметрический синтез возможен без оптимизации по заранее определенной системе формул или уравнений. В этом случае возникает задача определения последовательности применения формул расчета, т.е. синтезирования методики расчета по известным формулам. Решение состоит в определении такой цепочки причинно-следственных связей в формулах, в которой расчет по первой формуле в этой цепочке позволил бы найти величины, необходимые для расчета по второй формуле, и т.д. Поиск такого решения может быть осуществлен экспертной компонентой САПР, функционирование которой описано выше.

IY. Проектные процедуры структурного и параметрического анализа основаны на математическом моделировании, т.е. на исследовании проектируемого объекта путем оперирования его математической модели. К таким процедурам относят детерминированную верификацию, т.е. выявление соответствия структуры и параметров объекта, заданных разными описаниями, анализ чувствительности выходных параметров Y к изменениям внутренних варьируемых параметров X, статистический анализ для получения статистических сведений о выходных параметров при заданных законах распределения параметров элементов. Задачи, в которых исследование свойств объекта сводится к однократному решению уравнений модели при фиксированных значениях параметров, называют задачами однократного анализа. Для его выполнения применяют известные методы и алгоритмы решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений, обыкновенных дифференциальных уравнений. Задачи, требующие многократного решения уравнений модели при различных внутренних и внешних параметрах, называют задачами многовариантного анализа.

Аналогично проектным процедурам параметрического синтеза задач для реализации процедур анализа используются пакеты прикладных программ, для удобства работы с которыми возникает необходимость создания интеллектуального интерфейса, о чем уже говорилось выше.

Y. При проектировании сложных объектов, основанных на применении новых принципов функционирования, возможна ситуация, когда использование формальных и формализуемых процедур анализа невозможно из-за отсутствия информации, достаточной для построения точной или даже имитационной модели объекта проектирования. Если, однако, существуют экспертные оценки качественного характера о достоверности и пригодности той или иной математической модели для анализа объекта проектирования, то процедуру анализа можно реализовать нечетким алгоритмом, функционирование которого меняется в зависимости от нечеткой области адекватности той или иной математической модели. При этом возможно построение эвристической модели, обобщающей экспертные мнения об объекте. Возможность модельного представления и анализа объекта проектирования на такой модели, реализованной в виде так называемой нечеткой системы, может быть осуществлена путем создания специализированной интеллектуальной компоненты САПР.

YI. Проектные процедуры разработки текстовой и графической документации проектируемого объекта являются завершающими на тех или иных стадиях проектирования – эскизном, технического и рабочего проектирования. Эти процедуры наиболее автоматизированы уже сейчас, однако и для их выполнения могут быть использованы методы искусственного интеллекта. Основное направление работ здесь – создание интеллектуальных компонент САПР для генерации текстовой и чертежной конструкторской документации на основе указанного конструктором прототипа и краткого описания нового изделия.

VII. Кроме проектных процедур, непосредственно относящихся к процессу разработки нового объекта, в САПР выполняются другие процедуры, касающиеся объекта проектирования опосредственно. К таким опосредственным проектным процедурам можно отнести процедуры поиска необходимой информации в базе данных нормативно-справочной информации САПР, а также в базе данных, хранящих информацию о базовых и макроэлементах, законченных и обобщенных структурах, математических моделей, проектных процедурах и т.п. Взаимодействие проектировщиков с базами данных на основные использования формальных языков манипулирования данными СУБД часто бывает затруднительным, что обусловлено необходимостью использования достаточно ограниченного словарного запаса и жесткой структурой составляемых запросов. Устранение этого недостатка лежит на пути создания интеллектуальных систем доступа к данным. Эти системы являются подклассом диалоговых систем, их называют также вопросно-ответными системами или интеллектуальными банками данных. Входным языком таких систем является, как правило, естественный язык, ограниченный по лексическому составу некоторой предметной областью, а их характерной чертой является наличие в них базы знаний, содержащей описание структуры и логики предметной области, в рамках которой работает данная система. Такие системы способны выполнить синтаксический анализ текста запроса, давать ответы на вопросы, в явном виде в тексте не содержащиеся.

VIII. Особое место в автоматизированном проектировании занимает так называемое поисковое конструирование. Принципиальное отличие задач поискового конструирования от задач структурного синтеза состоит в том, что они связаны с генерацией новых, ранее неизвестных технических решений, в том числе и на уровне изобретений. В интеллектуальных системах поискового конструирования должны моделироваться творческие способности человека, что является очень сложной задачей. Наряду с разработкой специфических методов решения поисковых задач здесь правомерно поставить вопрос и об использовании теории и методов ИИ. Ответ на него не очевиден и требует детального исследования.