Глава 10. Методологические основы автоматизированного проектирования асоиу

10.1. Концептуальная схема САПР АСОИУ

В максимально полном варианте САПР АСОИУ должна охватывать весь процесс проектирования АСОИУ, начиная с анализа объекта проек­тирования и кончая разработкой, ведением и выдачей проектно-технической и эксплуатационной документации. Обеспечивая инте­грацию процесса проектирования по воем фазам разработки АСОИУ, САПР АСОИУ включает комплекс средств и методов проектирования и со­ответствующим образом организованный коллектив людей, управляющих этим комплексом и обеспечивающих выпуск проектов с заданными па­раметрами.

Исходя из сказанного, можно предложить концептуальную схе­му САПР АСОИУ, которая приведена на рис. I.I.

Особенности функционирования САПР АСОИУ заключаются в следую­щем:

- непрерывность процесса проектирования за счет применения ме­тодики сквозного проектирования, согласно которой весь процесс состоит в разработке ориентированной на пользователя рабочей до­кументации системы путем ее постепенной детализации посредством построения набора последовательно дезагрегируемых моделей проек­тируемой системы; при этом может не произойти деление процесса проектирования АСОИУ на традиционные этапы;

- вся разработка проекта полностью обеспечивается ЭВМ и ведет­ся с помощью технология автоматизированного интерактивного проек­тирования, при которой руководители разработок и проектировщики работают за экранами видеотерминалов, осуществляя с помощью ЭВМ в интерактивном режиме все действия по созданию проекта; при этом в качестве основного проектировочного принципа принимают принцип редактирования типовых текстов проекта АСОИУ;

- вся информация хранится в работающем под управлением СУБД банке проектной информации, состоящем из нескольких баз данных. Важнейшей из них является база проектных решений, содержащая отдельные проектные решения в виде автономно оформленных блоков - проектных модулей различной степени укрупненности;

- универсальной проектной единицей в САПР АСОИУ является проект­ный модуль, который структурируется и описывается по стандартным правилам, может быть текстовым, программным либо сочетать тексты и программы и иметь различный объем в зависимости от степени ти­пизации;

- для описания отдельных модулей и систем в целом применяется специализированный язык структурированных описаний, который раз­рабатывается на основе принципов структурно-сценарного проектиро­вания.

Применение данного подхода к созданию АСОИУ предполагает ком­плексную автоматизацию всего процесса проектирования АСОИУ, а САПР АСУ рассматривается не как отдельное средство, а как автоматизиро­ванная проектная организация, в которой управление разработками осуществляется с помощью гибкого конфигурационного управления.

 

 

Рис.1.1. Концептуальная схе­ма САПР АСОИУ

Рис.1.1. Концептуальная схе­ма САПР АСОИУ (продолжение)

 

 

10.2. Концептуальная модель структуры интеллектуальной САПР АСОИ ЛА

 

Рассмотрим на концептуальном уровне структуру интеллектуальной САПР АСОИ ЛА.

Структура САПР АСОИ ЛА имеет два уровня иерархичности управления. На верхнем уровне управления находится система автоматизированного проектирования, т.е. САПР АСОИ ЛА, на нижнем – объект проектирования, т.е. АСОИ ЛА. Существует еще и третий уровень иерархичности – объект, для которого создается АСОИ, т.е. собственно ЛА или их комплексы.

Взаимодействие этих элементов в общей структуре, охватывающей автоматизированное проектирование АСОИ ЛА, функционирование АСОИ в объекте автоматизации ЛА, функционирование ЛА или комплексов ЛА и внешнюю среду представлено на рис. 5.1.

Принципиально важным является то, что процесс проектирования АСОИ ЛА является непрерывным процессом, причем в качестве управляющих элементов может выступать любой элемент этой схемы.

Рассмотрим на концептуальном уровне взаимодействие интеллектуальной САПР АСОИ ЛА, АСОИ ЛА, ЛА и внешней среды.

Для удобства и конкретизации изложенного ограничимся рассмотрением интеллектуальной подсистемы САПР АСОИ ЛА, реализующей автоматизированного проектирования программного обеспечения АСОИ.

Для решения задачи автоматизированного анализа и синтеза программного обеспечения АСОИ ЛА в САПР должны быть созданы следующие базы данных (БД), содержащие результаты ранее выполненных проектных решений:

- БД типовых моделей, алгоритмов и программных модулей обработки информации в АСОИ определенных классов ЛА;

 

Рис. 5.1. Схема взаимодействия САПР, АСОИ ЛА, ЛА и внешней среды

 

- БД типовых информационных элементов, используемых в АСОИ определенных классов ЛА;

- БД типовых и обобщенных структур в виде И/ИЛИ дерева программного обеспечения АСОИ определенных классов ЛА.

Каждая из этих БД может быть реализована в виде иерархических фреймовых структур, в которых наименование фрейма – тип БД и определенный класс ЛА, а слоты – соответствующие программные модули, информационные элементы и типовые и обобщенные структуры программного обеспечения с их характеристиками. В слотах того или иного фрейма могут быть даны ссылки на другие фреймы, так что все фреймы взаимосвязаны и образуют определенную структуру фреймов.

Для работы с БД в процессе проектирования программного обеспечения АСОИ ЛА проектировщик использует информацию в виде рекомендаций по выбору наиболее рациональных проектных решений. Эта информация, отражающая опыт работы наиболее квалифицированных специалистов – разработчиков программного обеспечения АСОИ ЛА, содержится в базах знаний САПР в виде инструкций, методик, руководств и правил выбора, например, в виде системы продукций типа ИЗ А СЛЕДУЕТ В, где В – нужный информационный материал, а А – условия его применения.

К таким базам знаний (БЗ) относятся следующие базы:

БЗ для выбора рациональной структуры программного обеспечения в зависимости от класса ЛА и предъявляемых к АСОИ требований;

БЗ для выбора рациональной структуры информационного обеспечения разрабатываемой АСОИ ЛА, т.е. состава и структуры информационных массивов исходных, промежуточных и итоговых данных, в том числе выдаваемых визуально на соответствующие терминалы пользователей;

БЗ для оценки работоспособности, надежности и эффективности вновь разработанных программных продуктов для АСОИ ЛА;

БЗ для выяснения причин отклонения фактических результатов работы АСОИ ЛА от требуемых результатов, заданных в техническом задании.

Поиск нужных правил из соответствующих баз знаний осуществляется определенным механизмом вывода. Этот механизм выбирает нужные правила исходя из анализа соответствующих данных, которые или находятся в техническом задании на АСОИ ЛА, или являются результатом ранее принятых проектных решений.

Все принятые проектные решения находятся в специализированной БД, которая фактически служит информационной моделью создаваемой АСОИ ЛА.

Как известно, процесс проектирования АСОИ ЛА технологически разбивается на проектирование отдельных взаимосвязанных частей. При этом данные, полученные как результаты проектных решений на некотором этапе, являются исходными для последующих этапов.

В соответствии с потенциальными потребителями промежуточной информации её можно расчленить на три класса.

Первый класс — промежуточная информация общесистемного назначения, которая используется на различных этапах разработки проекта. Так, например, при проектировании АСОИ ЛА такой общесистемной промежуточной информацией являются её структурные решения, которые определяют последующее проектирование отдельных её подсистем.

Второй класс составляет локальная информация, которая используется на отдельном этапе проектирования и необходима узкому кругу специалистов, занятых конкретной разработкой части проекта. Подключение этой информации к общесистемной нецелесообразно, так как при этом увеличивается как общий объём хранимой информации, так и взаимосвязи, что естественно приводит к ухудшению временных характеристик работы с данными.

Третий класс — это информация, которая формируется на некотором этапе и передаётся в качестве исходных данных на последующий этап. Информация преобразуется в соответствии с преобразованиями этого этапа в модели описания элементов проектируемого объекта. Этот класс данных может быть назван транзитным.

Для хранения промежуточной информации в САПР выделяют отдельные БД, создаваемые для каждого проектируемого объекта. В соответствии со сказанным в них можно выделить общесистемные, транзитные и локальные базы данных.

Последняя составляющая БД представляет собой накапливаемые законченные проектные решения на всех этапах проектирования системы. Эта информация позволяет получить весь комплекс проектных документов, предусмотренных нормативными правилами и соответствующими стандартами. Эта база данных содержит полную информационную модель проектируемой АСОИ ЛА.

Для выявления необходимых информационных материалов (инструкций, методик, руководств) в тех или иных БЗ САПР используют образцы, т. е. форматы, определяющие условия активизации различных струк­турированных знаний. На каждой итерации происходят анализ и сопоставление текущей ситуации и образцов с целью нахождения блоков, для которых выполняются условия активизации для действий в этой ситуации.

Системы, в основу функционирования которых положена идея обработки модулей знаний по образцам, получили название сис­тем выводов, управляемых по образцам. В системах, основанных на прави­лах, в качестве модулей, управляемых по образцам, выступают либо отдельные правила, либо блоки правил, отражающие опре­деленный уровень или тип эвристических знаний в БЗ.

Процедуры сопоставления с образцами и определения правил, соответствующих текущему состоянию рабочей области, опреде­лены самой логикой работы управляющей структуры (интерпре­татора правил). В связи с этим весь процесс реализации стратегии вывода проходит через четыре стадии: выбор, сопоставление, разрешение конфликтов, выполнение (рис. 5.2).

1. На стадии выбора выбираются модули БЗ и данные из ра­бочей памяти, которые относятся к рассматриваемой ситуации. Сама процедура имеет различные уровни сложности. Это определяется сложностью проблемной области и характером решае­мых задач. Уже на данной стадии вывода решения должно происходить сокращение пространства поиска за счет рассмотрения только активных, потенциально подходящих к ситуации модулей и данных.

2. На стадии сопоставления на основе сравнения с образцами активных правил и действующих данных определяются модули, для которых удовлетворяются условия выполнения. Они называ­ются означенными. В результате сопоставления всех активных модулей и данных выявляется множество таких означенных моду­лей. Это множество называется конфликтным, так как только некоторые означенные модули могут быть задействованы в текущей ситуации. Существуют различные способы и алгоритмы уско­рения работ на стадии сопоставления, поскольку активных пра­вил и данных может быть достаточно много.

3. На стадии разрешения конфликтов принимается решение, ка­кие из означенных модулей будут выполняться в действующем цикле. При принятии решений по выбору модуля для последую­щего выполнения применяют различные стратегии разрешения конфликтов.

4. На стадии выполнения запускаются модули, выбранные на пре­дыдущей стадии. В результате выполнения модифицируются эле­менты и структуры данных рабочей памяти, выдаются необходи­мые рекомендации или решения пользователю, возможны измене­ния в самой БЗ и т. д.

На множествах БД и БЗ САПР АСОИ ЛА вводятся отношения копирова­ния, модификации, сборки и проекции, с помощью которых стано­вится возможным осуществление операций создания новых БД и БЗ,

 

Рис. 5.2. Цикл процесса реализации стратегии вывода

внесение в них изменений и т. д.

Процесс проектирования АСОИ ЛА можно теперь представить в виде схемы, представленной на рис. 5.3. Эта схема охватывает все стадии и этапы проектирования АСОИ ЛА средствами САПР, которая обладает свойствами интеллектуальности.

Эта интеллектуальность определяется следующими признаками, присущими объектам, которые можно отнести к интеллектуальным:

— наличием указанных выше баз знаний, где хранится опыт работы специалистов – разработчиков АСОИ ЛА;

— необходимостью решения логических задач по выбору структуры и базы данных проектируемой АСОИ ЛА;

— применением алгоритмов, в том числе содержащихся в базах знаний;

— структурированностью как самой САПР, так и объекта проектирования АСОИ ЛА.

Функционирует система следующим образом.

На вход системы поступает техническое задание (ТЗ) на разработку АСОИ ЛА определенного класса.

На основании результатов анализа ТЗ руководителем проекта (главным или ведущим конструктором) определяются основные параметры, которым должна удовлетворять проектируемая АСОИ. Значения этих параметров загружаются в БЗ для поиска в БД типовых и обобщенных структур требуемой структуры АСОИ ЛА, которая наиболее соответствует ТЗ.

После этого в БД программных модулей осуществляется поиск таких ранее разработанных элементов программного обеспечения АСОИ, которые могут быть применены в разрабатываемой системе. Выбор и определение последовательности подключения этих модулей может быть реализовано, например, с помощью подхода, описанного ранее.

 

Рис. 5.3. Концептуальная схема САПР АСОИ ЛА: 1 – редактирование баз данных САПР АСОИ ЛА, 2 – БД типовых и обобщённых структур АСОИ ЛА, 3 – БД программных модулей обработки данных, 4 – БД информационных элементов АСОИ ЛА, 5 – БД информационных элементов АСОИ ЛА, 6 – БЗ выбора структуры АСОИ ЛА, 7 – БЗ выбора структуры ИО АСОИ, 8 – БЗ анализа причин отказов АСОИ ЛА, 9 – создание и редактирование информационной модели АСОИ ЛА, 10 – разработка проектной документации на АСОИ ЛА, 11 – определение структуры АСОИ ЛА, выбор программных модулей из числа разработанных, 12 – определение структуры информационного обеспечения АСОИ ЛА, 13 – программная реализация АСОИ ЛА, 14 – имитационное моделирование проектируемой АСОИ ЛА, 15 – выявление причин отклонения результатов исследований от заданных в ТЗ, 16 – реализация АСОИ на борту ЛА, 17 – формирование ТТТ и ТЗ на АСОИ ЛА, 18 – формирование ТТТ и ТЗ на ЛА, 19 – проектирование ЛА, 20 – лётные испытания АСОИ ЛА, 21 – среда функционирования ЛА, 21 – редактирование баз знаний САПР АСОИ ЛА, 22 – обработка результатов лётных испытаний.

 

 

Если таких программных модулей не оказалось в БД, то принимается решение о разработке нового программного модуля на основе существующих в этой БД необходимых моделей и алгоритмов их решения.

После выбора структуры программного обеспечения АСОИ и определения состава программных модулей решается задача определения структуры информационного обеспечения (ИО) системы. Для этого, используя БЗ для выбора структуры ИО, определяют количество и состав требуемых массивов для хранения данных и программных модулей и способы их реализации. Возможный алгоритм решения этой задачи рассмотрен в лаб. работе.

Разработанное программное обеспечение проходит проверку на имитационной модели объекта управления, т.е. ЛА, и среды функционирования этого ЛА. Результаты этого моделирования поступают в соответствующем формате в БЗ для анализа причин несоответствия (отказов) разработанного программного и информационного обеспечения АСОИ ЛА требованиям ТЗ.

Выявленные причины поступают в блоки выбора структуры АСОИ, состава программных модулей и ИО для их устранения.

После поступления в БД САПР информационной модели проектируемой АСОИ ЛА всех необходимых данных на ее основе составляется вся проектная документация. Эта проектная документация содержит всю информацию, необходимую для изготовления, установке на ЛА и эксплуатации разработанной АСОИ.

Как правило, проектирование сложных систем, к которым относятся и АСОИ ЛА, происходит в несколько итераций, причем возврат к предыдущим стадиям и этапам проектирования происходит не только в процессе собственно проектирования, но по результатам наземных и летных испытаний объекта автоматизации. Это может быть обусловлено и изменениями в среде функционирования ЛА или его АСОИ. Поэтому процесс проектирования в САПР АСОИ ЛА, обладающей свойствами интеллектуальности, есть непрерывный процесс, требующий, в частности, постоянного редактирования (более точно – совершенствования) как имеющихся БД, так и БЗ. Это нашло отражение в рассмотренной концептуальной схеме структуры САПР АСОИ ЛА, обладающей качествами интеллектуальности.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Романов В. П. Интеллектуальные информационные системы в экономике: Учебное пособие / Под ред. д.э.н. проф. Н.П. Тихомирова. – М.: Издательство «Экзамен», 2003.

2. Машкин М.Н., Романов О.Т. Разработка технической документации в среде графической системы. Лабораторные работы. – М.: НПК «Поток», 2000.

3. Романов О.Т. Исследование методов и алгоритмов автоматизированного проектирования технической документации и информационного обеспечения АСОИУ комплексами ЛА: Лабораторные работы. – М.: Издательство МАИ, 1991. – 44 с.

4. Романов О.Т. Основы интеллектуализации САПР АСОИУ. – М.: МАИ, 1993.

5. Машкин М.Н., Романов О.Т. Системы искусственного интеллекта и САПР: Лекции. М.: НПК «Поток», 2005. – 208 с.