Сетевые модели оперативного управления процессом принятия решений в САПР

Область исследований и их актуальность.

На современном этапе развития САПР все большее значение приобретает ведение оперативной документации (базы данных проекта). Ведение единой базы данных проекта (БДП), содержаш-ей информацию о среде и объекте проектирования (в том числе о ходе и состоянии проектных работ) и, в общем случае, отражающей опыт проектировщика, оказывает существенное воздействие на управление процессом проектирования в комплексных САПР с интегрированными ресурсами. В этом плане результативны, перспективны и актуальны исследования процессов взаимодействия с БДП в актах принятия проектных решений (ПНР).

Моделирование опыта в САПР всегда считалось и будет считаться актуальной задачей. Ее решения находят свое воплощение в библиотеках проектных процедур, а также других составляющих БДП. Одним из источников повышения эффективности взаимодействия с БДП является применение в процессах оперативного документирования методов и средств искусственного интеллекта (ИИ), в том числе экспертных систем (ЭС).

Исследования и разработки ИИ демонстрируют, что в порождении опыта и взаимодействии с ним (и его моделями) принципиальна роль рассуждений, проводимых в вопросно-ответной форме (интервьюирование экспертов, вопросно-ответные взаимодействия с пользователем ЭВМ). Вопросно-ответные рассуждения обслуживают специальный тип управления «по образцу» и вводят в такое управление вопросно-ответн>то составляющую.

От структуры и содержания вопросно-ответных рассуждений (QA-рассуждений), распределения во времени вопросов и ответов и их отношений с другими составляющими процесса принятия решений существенно зависит результативность, в том числе, и эффективность проектных решений.

Разработки и исследования методов и средств оперативного информационного взаимодействия проектировщика с БДП САПР, осуществляемого в формах понятийной деятельности [113], нацеленного на.

Принятие проектных решений и управляюпдего этим процессом как на концептуальном этапе проектирования, так и в процессе принятия типовых проектных решений, актуальны и составляют область исследований диссертационной работы.

Среди задач оперативного управления принятием проектных решений выделяется задача выбора очередного шага проектирования. Рациональная последовательность выбора актов деятельности на каждом шаге проектирования неизбежно приводит к повышению результативности процесса проектирования. Вопросам управления принятием типовых проектных решений, а в особенности, принятием решений на этапе концептуального проектирования (нетиповых решений), управления, основанного на представлении процесса проектирования в виде вопросно-ответных протоколов уделяется недостаточно внимания. В связи с этим исследования этих вопросов являются актуальными и перспективными. Специфика данной работы предполагает применение к решению задач оперативного управления принятием решений в САПР методов и средств сетевого моделирования.

В настоящее время на рынке программного обеспечения нет систем, ориентированных на использование QA-рассуждений в САПР. В то же время, на кафедре «Вычислительная техника» Ульяновского государственного технического университета накоплен большой опыт исследований в области принятия решений, основанных на QA-рассуждениях и, в частности, разработан динамический вопросно-ответный процессор WIQA (Working In Questions and Answers), предназначенный для оперативного протоколирования и ведения баз информационной поддержки проекта в вопросно-ответной форме, который выбран в качестве базового программного средства для реализации методик оперативного управления процессом принятия проектных решений.

Актуальность исследований в данной области обусловлена: • существенной зависимостью работ, проводимых в рамках проектной деятельности (ПД) от логики и динамики ПНР, сопровождающих пд;

• недостаточным количеством знаний о динамике Ш IP и, в первую очередь, оперативном управлении вопросно-ответным процессом Ш IP (QA-процессом);

• расширяющейся «интеллектуализацией» САПР в части автоматизации ПНР.

Объект и направление исследований.

Процесс оперативного документирования хода проектной деятельности в вопросно-ответном стиле (вопросно-ответный процесс) выбран в качестве объекта исследований диссертационной работы.

Событийно-деятельностная интерпретация вопросно-ответных единиц, составляющих QA-рассуждения (QA-процесс), определила направление исследований диссертационной работы, связанное с вопросами поиска рациональных методик выбора очередного шага на оперативном уровне управления ПНР, решение которых призвано повысить результативность QA-действий как на концептуальном этапе проектирования, так и при решении типовых проектных задач.

Предмет исследований.

Построения сетевых моделей QA-рассуждений и их применения в оперативном управлении процессами ПНР определили предмет исследований диссертационной работы.

Основные иели.

Целью диссертационной работы являются прикладные исследования управляющей функции рассуждений в актах принятия решений, сопровождающих проектную деятельность и выявление характеристик ПНР, на основе которых включаются дополнительные механизмы в систему оперативного управления проектной деятельностью в САПР. Достижение цели обеспечивается практическим решением следующих взаимосвязанных задач:

1. Исследование событийной сущности ППР и интерпретация вопросно-ответных протоколов (специфического типа протоколов проектной деятельности) в виде сети событий.

2. Исследование динамики ППР и интерпретация вопросно-ответных протоколов в виде комплекса взаимосвязанных работ.

3. Исследование логики и характера вопросно-ответных действий ППР и интерпретация вопросно-ответных протоколов в виде сети Петри.

4. Разработка системы правил выбора очередного шага в операционной среде каждой из трех сетевых моделей.

5. Разработка методики оперативного управления ППР, основанной на применении системы правил выбора.

6. Разработка инструментальных средств, реализующих методику оперативного управления ППР.

Задача исследований.

Целостность исследований связана с решением следующей задачи:

Определить набор сетевых моделей QA-рассуждений и совокупность систем правил для каждой из моделей, которые конструктивно вводят в управление проектными решениями вопросно-ответную составляющую, повышающую результативность и эффективность работы проектировщика как в типовых, так и в нетиповых ситуациях проектирования.

Формулировка задачи исследований проводилась исходя из мотивационно-целевой модели, раскрывающей те практически-полезные эффекты (в их числе: автоматизация вопросно-ответных процессов, оперативная оценка значимости актов принятия решений, облегчение задачи выбора проектировщиком очередной работы из множества альтернативфронта работ — большой размерности, выявление наиболее рационального выбора и др.), достижение которых ожидается в случае успешного решения задачи исследований, и имеет следующий вид:

Требуется разработать систему (совокупность) сетевых представлений модели вопросно-ответного процесса QA (t), систему правил выбора очередной работы из фронта работ, методику управления в системе правил и инструментарий, реализующий эту методику и позволяющий повысить качество работы проектировщика за счет рационального выбора из фронта работ в процессе принятия решений на оперативном уровне проектной деятельности.

Метод исследований.

Исследования базирзАотся на методах содержательно-эволюционного подхода к интеллектуальной деятельности в человеко-компьютерных средах, имитационного моделирования на базе сетей Петри, методах и средствах сетевого анализа с использованием сетевых графиков, а также событийных сетей, теории автоматизированного проектирования.

Научная новизна.

На научную новизну претендуют: система правил выбора из фронта работ на оперативном уровне процесса принятия проектных решений, адекватно отражающая критерии выбора на трех сетевых моделях и реализующая возможные предпочтения проектировщика при выборе очередного шага проектированияметодика управления в системе правил выбора, входящая в состав методики оперативного управления ППР, интерактивное включение которой в технологию принятия решений в среде САПР приводит к повышению эффективности проектной деятельности за счет рационального выбора, адекватного конкретному подходу проектировщика к процессу проектирования, и значительного уменьшения размерности множества работ, предлагаемых для выполнения на очередном шаге проектирования.

Практическая иенность.

Практическую ценность работы составляет разработка четвертой версии системы ШрА, включающей подсистему сетевого анализа, которая обеспечивает реализацию методики оперативного управления для применения в процессе принятия проектных решений как на этапе концептуального проектирования, так и при работе по типовой рА-методике.

Достоверность.

Теоретическая достоверность подтверждается разработкой основных положений диссертации на основе достоверных знаний из области прикладной информатики (системы автоматизации проектирования, системы искусственного интеллекта и экспертные системы), практической и формальных логик.

Экспериментальные подтверждения достоверности получены при разработке и применениях третьей и четвертой версий динамического вопросно-ответного процессора WIQA и его подсистемы сетевого анализа.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 2-й международной конференции «Интерактивные системы: Проблемы человеко-компьютерного взаимодействия» (Ульяновск, 1997), всероссийской межвузовской конференции «Микроэлектроника и информатика» (Москва, 1998), 3-й международной конференции «Интерактивные системы: Проблемы человеко-компьютерного взаимодействия» (Ульяновск, 1999), на ежегодных НТК Ульяновского государственного технического университета, а также нашли отражение в 14 публикациях (тезисы и статьи).

В первой главе проводится исследование роли управляюш-ей функции рассуждений (а именно, вопросно-ответных рассуждений) в актах принятия решений, сопровождающих проектную деятельность, фокусируется внимание на процессах принятия проектных решений и функциях вопросно-ответных процессов, определяющих сущность динамики процесса ПНР, обосновывается возможность и необходимость интерпретации вопросно-ответных процессов в виде сетевых моделей, рассматриваются вопросы оперативного, тактического и стратегического уровней управления процессом ill IP. Определяются область, объект, направление и предмет исследования. Формулируется задача исследований и производится выбор подхода к её решению.

Во второй главе проводится формализация задачи выбора в вопросно-ответных рассуждениях, выявление специфики и свойств вопросно-ответных процессов, приводится формализованное описание графовой интерпретации вопросно-ответной структуры, проводятся построения сетевых моделей вопросно-ответного процесса (событийная сеть, сетевой график и сеть Петри), в основу которых положена базовая структуризация модели вопросно-ответного процесса в виде графа. Приведены формализованные описания каждой из сетевых моделей, а также определены те их свойства, которые могут помочь в решении задачи выбора очередного действия.

В третьей главе вырабатывается подход к построению системы правил выбора очередного шага рА-процесса ПНР как системы продукций, выявляются предпосылки и критерии сравнения актов принятия решений, значимых с точки зрения предпочтений ЛИР. Предлагается и обосновывается методика оперативного управления РА-рассуждениями в процессе ППР, приводится описание системы правил выбора, а также методики использования продукционных правил при различных подходах к проектированию. Реализация методики исходит из построения и оперативного применения прикладных моделей вопросно-ответного процесса 0А (1) (QA-coбытийнoй сети, QA-ceтeвoгo графика и рА-сети Петри) в контексте процесса ППР.

В четвертой главе описана реализация четвертой версии системы ШРА и ее подсистемы оперативного управления процессом ППР (подсистемы сетевого анализа), которая включает в себя процедуры динамической интерпретации рА-структуры проекта в сетевые модели и процедуры оценивания очередного шага процесса проектирования на трех сетевых представлениях 0А (1) с использованием системы правил выбора с последующей выдачей предложения выбора очередного акта деятельности проектировщику, что позволяет использовать ее как при работе по типовой методике, так и на этапе концептуального проектирования. Констатируются основные требования к системе, обосновываются архитектурные решения, описывается интегрированная среда, операционные обстановки и система команд.

В заключении констатируется, что поставленная задача исследований, предполагающая построение сетевых представлений модели вопросно-ответного процесса QA (t), разработку системы правил выбора очередной работы из фронта работ, методики управления в системе правил, а также инструментария, обеспечивающего ее реализацию, решена. Перечисляются эффекты, достигнутые в результате решения задачи исследований, проводится сравнительный анализ с наиболее распространенными системами управления проектами, выявляются качественные отличия от них разработанной версии системы WIQA, выраженные в различных подходах к процессу проектирования. Очерчены перспективы дальнейших исследований Ё рамках предметной области с целью повышения эффективности проектирования.

В приложениях.

Представлены основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором в диссертационной работе.

4.5. Выводы по четвертой главе.

1. Развитие вопросно-ответного процессора WIQA следует проводить в направлении расширения функциональности работы в рамках вопросно-ответных рассуждений, за счет введения управляющей компоненты, повышающей рациональность оперативного выбора очередного шага принятия решений.

2. в развитии и построениях новой версии системы WIQA следует использовать наработки, полученные в ранних версиях.

3. Реализация управления выбором очередного шага вопросно-ответных рассуждений в системе WIQA в виде подсистемы сетевого анализа строится по типовому образцу и должна включать следующие основные составляющие:

• процедуры и функции преобразования QA-структур, полученных в ходе работы с регистратором процессора WIQA, в их сетевые представления;

• библиотеку поддержки фафической информации, реализующей графическую визуализацию сетевых представлений вопросно-ответных протоколов;

• систему команд, обеспечивающую исполнение специфичных для каждой сетевой модели действий;

• систему диалоговых окон (диалоговую оболочку), позволяющую формировать решающий набор правил выбора и способствующую решению задачи выбора очередного шага принятия решений;

4. Технология применения подсистемы выбора очередного шага основана на реализации методики выбора, состоящей в анализе фронта работ на совокупности сетевых моделей вопросно-ответного процесса.

5. Комплексирование системы WIQA с программными компонентами процесса проектирования — задействованными в этом процессе САПРследует связать с внедрением (связыванием) документов САПР в информационное содержание отдельных единиц вопросно-ответных рассуждений. В рамках данной работы осуществлена адаптация системы WIQA к процессу проектирования с участием САПР AutoCAD и КОМПАС.

6. Дальнейшие перспективы развития системы WIQA следует связать с разработками ее сетевых версий, что должно привести к значительному повышению положительного эффекта от включения в такую распределенную среду проектирования средств сетевого анализа и выбора очередного шага действий проектировщика.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении представленной диссертационной работы можно отметить, что поставленная задача исследований, предполагающая построение сетевых представлений модели вопросно-ответного процесса РА (1), разработку системы правил выбора очередной работы из фронта работ, методики управления в системе правил, а также инструментария, обеспечивающего ее реализацию, решена. Показана перспектива применения полученных сетевых моделей вопросно-ответного процесса для управления на стратегическом и тактическом уровнях.

На научную новизну претендуют:

• система правил выбора очередной задачи из фронта задач на оперативном уровне процесса принятия решений, сопровождающих проектную деятельность, которая адекватно отражает критерии выбора на трех сетевых моделях и облегчает задачу проектировщика при большой размерности РА-методики;

• методика управления в системе правил выбора, входящая в состав методики оперативного управления ПНР, интерактивное включение которой в технологию принятия решений в среде САПР приводит к повышению эффективности проектной деятельности за счет рационального выбора из фронта работ и, соответственно, значительного уменьшения размерности множества предлагаемых для выполнения на очередном шаге проектирования работ.

Практическую ценность работы составляет разработка подсистемы сетевого анализа динамического вопросно-ответного процессора, обеспечивающего реализацию методики оперативного управления для применения в процессе принятия проектных решений как на этапе концептуального проектирования, так и при работе по типовой РА-методике.

Результаты исследований диссертационной работы открывают практически-полезные эффекты для управления процессом ПНР, в числе которых выделяются следующие:

• возможность персонализации подхода к процессу 111 IP посредством составления различных вариантов наборов продукционных правил выбора очередного шага проектирования, соответствующих различным сценариям 111 IP (траекториям проектирования);

• значительное снижение размерности множества фронта работ и предложение выбора, наиболее адекватного и рационального с точки зрения подхода проектировщика к процессу Ш1Р (при условии грамотно составленного решающего набора правил выбора);

• автоматизация вопросно-ответного процесса, сопровождающего процесс проектирования, и возможность проведения экспериментов над вопросно-ответными методиками (сценариями) с целью оптимизации процесса 111 IP (эффект достигается применением QA-сетей Петри);

• возможность формирования аналитического визуального представления совокупности проектных работ (заданных вопросно-ответным сценарием) в виде сетевого графика с вычислением критических путей, и решением задач, связанных с составлением календарного плана работ.

Вопросно-ответные процессы, позволяющие учитывать и синтетическую, и аналитическую составляющиеА деятельности, имеют хорошие перспективы применения в различных сферах (не только САПР и ЭС) для реализации типов взаимодействия как «человек-компьютер», так и «человек-человек». Расширение сфер применения влечет за собой и необходимость увеличения количества методик и вспомогательного инструментария (ПО) для осуществления такого рода взаимодействий. В настоящее время на рынке ПО не существует систем, ориентированных на использование вопросно-ответных методик протоколирования деятельности, поэтому в качестве основных объектов для сравнения четвертой версии вопросно-ответного процессора WIQA выбраны управляющие программные системы. Главным качественным отличием от них системы WIQA является именно подход к оперативному документированию проектной деятельности.

В процессе разработки практической части диссертационной работы автор ознакомился с программными средствами, предназначенными для решения задач управления сложно-структурированными процессами. Сравнительный анализ показал, в частности, что большинство профессиональных систем управления проектами осуществляют составление сценариев (календарных планов) проектирования, с учетом как временных ресурсов на каждую работу, так и ресурсов (материальных и трудовых), выделенных на весь проект в целом и требующихся для выполнения каждой работы в отдельности. Все имеющиеся системы управления проектами предназначены для составления и утверждения плана, основанного на типовых методиках проектирования (производства, принятия управленческого решения и т. п.), что делает невозможным их применение на стадии концептуального проектирования. Система WIQA осуществляет оперативную оценку состояния проекта, позволяющую производить выбор очередного действия в рамках некоторого определенного подхода к процессу ППР, закодированного в виде решающего набора продукционных правил. Эксперименты с вопросно-ответной структурой диссертационной работой показали, что в среднем размерность фронта работ составляет 5−15% от всех работ проекта. Если учесть, что такие системы управления проектами, как Spider Project Professional и Pimavera Project Planner, предназначены для управления проектами, содержащими свыше 10,000 операций, то размерность фронта работ может превышать 1,500 операций. Выбор на системе продукционных правил позволяет значительно сократить фронт работ, включив в множество предложения для выбора только те работы, которые удовлетворяют правилам из решающего набора. Таким образом, множество предложения содержит работы, адекватные наиболее рациональному выбору очередного шага процесса ППР, а его размерность может составлять всего одну работу (как минимум, поскольку размерность множества предложения для выбора зависит от состава решающего набора правил).

Разработка новых версий системы WIQA в настоящее время идет по нескольким направлениям. В частности, находится на стадии завершения.

170 реализации версия для работы с базами банных ORACLE в локальной вычислительной сети, что в совокупности с четвертой версией в качестве клиентского приложения предоставит возможность организации коллективного процесса ППР. Другое направление связано с дополнением настоящей версии аргументационной логикой, основанной на мотивационно-целевой модели. Также ведутся разработки лингвистических процессоров для анализа естественно-языковых текстов QA-единиц и их преобразования в предикатно-подобную форму представления, что позволит расширить систему правил выбора очередного шага процесса проектирования за счет правил логического вывода на основе логики предикатов.