Разработка метода и средств поддержки аналитической обработки, визуализации и документирования концептуальных представлений при проектировании САПР машиностроительного назначения

Интенсивное развитие машиностроительного комплекса, потребность предприятий в разработке новых промышленных изделий с целью получения максимальных конкурентных преимуществ обуславливают необходимость выполнения проектно-конструкторских работ большого объема. Требования, предъявляемые к качеству, сложности и срокам выполнения проектов становятся все более жесткими. В таких условиях при разработке крупных технических комплексов для повышения эффективности конструкторского труда применяются системы автоматизации проектирования (САПР), позволяющие сократить затраты на проектирование, избавиться от выполнения рутинных операций, ускорить путь, проходимый изделием от разработки концепции до выхода на рынок. В то же время создание самих САПР также не обходится без использования средств автоматизации.

Традиционно для этих целей применяются CASE-средства (Computer Aided Software Engineering), которые реализуют определенную методологию создания прикладных систем. Основу этих программных комплексов составляет набор инструментальных средств, позволяющих анализировать структуру функций предметной области, моделировать организацию данных на этапах разработки и сопровождения автоматизированной системы в соответствии с информационными потребностями пользователей.

Однако применение таких средств при разработке САПР для машиностроения затруднено. Из-за специфических особенностей проектно-кон-структорской деятельности С4Ж-средства, ориентированные в большей мере на решение информационных и управленческих задач, недостаточно эффективны. К числу факторов, затрудняющих их использование, можно отнести: разнообразие и сложную структуру объектов и процессов проектированиясуществование различных форм описания объекта, отражающих различные аспекты его целостного представленияналичие недокументированных знаний и соглашений о свойствах проектируемого изделия, незафиксированных в проектном решенииитерационный и недостаточно формализованный процесс разработки машиностроительных объектов.

Одним из подходов к решению перечисленных выше проблем является разработанная на кафедрах «Информационные технологии и вычислительные системы» и «Когнитивные технологии проектирования» МГТУ «СТАНКИН» методология автоматизации интеллектуального труда (МАИТ). Разработанный в рамках МАИТ этап концептуального моделирования предметных задач, подлежащих автоматизации, позволяет зафиксировать систему проектно-конструкторских знаний в виде семантических моделей, которые обеспечивают единую интерпретацию формируемых при создании САПР последующих формально-языковых представлений этих задач.

Вместе с тем, накопленный к настоящему моменту опыт проектирования показывает, что для формирования семантической модели предметной области помимо ее фиксации необходимо иметь набор процедур, позволяющих обрабатывать и анализировать полученные модельные представления. Таким образом, задача автоматизации процесса аналитической обработки, визуализации и документирования концептуальных представлений предметных задач при создании САПР для машиностроения приобретает актуальное значение.

Выявленные проблемы, связанные с реализацией концептуального моделирования при проектировании САПР, определили необходимость разработки метода и создания инструментальных средств поддержки концептуального моделирования. Это позволило сформулировать цель работы и поставить научную задачу.

Цель работы заключается в повышении эффективности процесса проектирования САПР машиностроительного назначения за счет разработки и применения метода аналитической обработки концептуальных моделей, позволяющего формировать и обрабатывать производные компоненты семантического представления, созданного в рамках методологии автоматизации интеллектуального труда.

Для достижения поставленной цели в работе решена научная задача, заключающаяся в выявлении связей между характеристиками базовых и производных компонентов концептуальной модели при проектировании САПР, включающая: исследование существующих методов и средств представления модели знаний, применяемых на ранних стадиях разработки САПРразвитие формального описания концептуального представления предметных задачразработку метода и методики аналитической обработки концептуальных моделейразработку средств поддержки аналитической обработки, визуализации и документирования концептуальных представлений при проектировании САПР машиностроительного назначения.

Научная новизна работы:

— установлены связи между характеристиками базовых и производных семантических конструкций, позволяющих более полно моделировать систему знаний проектно-кон-структорских задач и обеспечивающих более рациональную организацию синтаксических представлений на последующих стадиях создания САПР;

— выполнено развитие формального описания концептуального представления предметных задач, включающее описание зависимостей 2-го рода на объектном и конкретном уровнях абстрагирования;

— установлены связи между содержательными аспектами простых и сложных зависимостей 1-го рода с учетом типологии функциональных конструкций на двух уровнях абстрагирования;

— выполнено формальное описание типологии предметных зависимостей 1 -го рода и расслоения концептуальной модели под проектную и постоянную информацию.

При разработке теоретических положений диссертационной работы использован аппарат теории множеств, математической логики, реляционной алгебры и теории графов.

Практическая ценность результатов заключается в разработке методики аналитической обработки концептуальных моделей, охватывающей процедуры формирования схем предметных категорий и их бинарных связей, предметных зависимостей 2-го рода, определения содержания сложных и типологии всех предметных зависимостей 1-го рода, расслоения концептуальной модели под постоянную информацию, визуализации и документирования концептуальных представлений предметных задачразработке инструментальных средств поддержки аналитической обработки концептуальных моделей при проектировании САПР машиностроительного назначения.

В первой главе по результатам опубликованных исследований рассмотрены основные направления и подходы к созданию систем автоматизированного проектирования, проведен анализ существующих методов и средств автоматизации ранних стадий проектирования САПР с учетом их приложения к специфике машиностроительной области и задач автоматизации интеллектуального труда.

В автоматизированных системах к настоящему времени используются различные методы и средства представления знаний. В качестве критериев для проведения их анализа использовались: для методов — структура модели знаний, полнота представления компонентов модели, возможности интеграции моделей для разных задач, наличие закономерностей в организации моделейдля средств — поддерживаемые этапы разработки, составляющие модели и методы, возможности интеграции, сложность использования.

Выполненный анализ выявил ряд характерных недостатков, свойственных большинству традиционных методологий: как правило, каждая из методологий направлена на описание отдельных компонентов модели, их согласование и интеграция для комплексов задач не проводятся, что затрудняет получение взаимосвязанной семантической картины предметной области в целомпо мере роста сложности решаемых задач простота и наглядность концептуальных представлений уступают место громоздкости и объему формируемых структур, ухудшающих восприятие модели и дальнейшую работу с полученными описаниями.

Болыиинство современных инструментальных средств автоматизации проектирования опирается в своей работе на одну или несколько указанных методологий и как следствие, тоже не лишены недостатков:

— фиксируя составляющие модели, С45! Е-средства не обеспечивают возможности сформировать единое семантическое представление, на основе которого можно проводить дополнительную аналитическую обработку модели;

— зависимость получаемого модельного представления от опыта, квалификации и уровня взаимопонимания разработчиков системы и предметных специалистов;

— несмотря на наличие образных и описательных средств каждого С4Ж-продукта, часть модельных описаний отражается в них недостаточным образом, оставаясь чисто декларативной;

— ориентация на программно-техническую среду реализации автоматизированных систем, даже в случае поддержки многоплатформенной реализации наилучших результатов можно достичь только при использовании «родных» средств;

— ряд CASE-продуктов не уделяет должного внимания стадии проектирования системы, переходя от этапа анализа и предпроектного обследования непосредственно к процедуре практической реализации и генерации программного кода.

Таким образом, наибольшее применение рассмотренные CASE-средства находят в областях с хорошо документированной информацией, требующих решения задач небольшой размерности, где преобладают информационно-поисковые процедуры с несложной статистической обработкой хранимых данных.

В то же время, аналитический обзор позволил выделить особенности и преимущества применения МАИТ: — полный набор компонентов модели и их увязка в модельном представлении на любой стадии разработки автоматизированной системы- - существование закономерностей семантических и синтаксических модельных представлений на трех уровнях абстрагирования- - наличие концептуальной модели, как основы для единой интерпретации последующих формально-языковых представлений, формируемых при создании САПР.

Исходя из полученных результатов анализа, был сделан вывод о необходимости использования при проектировании САПР машиностроительного назначения методологии автоматизации интеллектуального труда, в которой определяющую роль при выявлении и описании системы знаний предметной области играет концептуальное моделирование. Наиболее трудоемким и критичным с точки зрения возникновения ошибок является начальный этап формирования компонентов модели в виде диаграмм и спецификаций. Поэтому ранее самое тщательное внимание было уделено вопросам автоматизации формирования базовых конструкций концептуальной модели.

На кафедре КТП был разработан ряд инструментальных средств с набором автоматизированных процедур поддержки концептуального моделирования. Данные программные модули позволяют заполнять спецификации, где фиксируется родословная параметров, которыми оперирует предметный специалист, процесс решения предметной задачи, содержание простых действий в виде множества параметров-аргументов и параметров-функций.

В силу используемых в МАИТ закономерностей организации компонентов концептуальной модели полученные описания могут быть преобразованы в другие семантические конструкции, которые отражают специфические особенности машиностроительной области, влияющие на эксплуатационные характеристики САПР. Однако отсутствие методов и средств автоматизации подобной аналитической обработки не позволяет эффективно проводить эти преобразования при моделировании системы знаний проектно-конструкторских задач.

Исходя из полученных результатов анализа, был сделан вывод о необходимости использования при проектировании САПР машиностроительного назначения методологии автоматизации интеллектуального труда и разработки метода, методики и инструментальных средств поддержки аналитической обработки концептуальных моделей. Это позволило сформулировать цель работы и поставить научную задачу для ее достижения.

Во второй главе изложены положения формального описания аналитической обработки концептуальных моделей, связанной с практическими потребностями в фиксации дополнительных особенностей семантического представления, которые позволят более точно отразить специфику системы знаний машиностроительной области.

К числу подобных процедур относятся:

— формирование системы зависимостей 2-го рода, отражающих существование ограничений на допустимые сочетания монадических категорий в рамках схем категорий;

— определение содержания сложных зависимостей 1-го рода на основе установления их взаимосвязи с содержательными аспектами простых зависимостей 1 -го рода, которые получены от предметных специалистов;

— определение типологии предметных зависимостей 1-го рода, позволяющее учесть и систематизировать многообразие и сложность ограничений в системе знаний предметной задачи;

— расслоение концептуальной модели под проектную и постоянную информацию, связанное со спецификой организации таблично заданной нормативно-справочной информации.

Во второй главе было проведено формальное описание этих процедур, что позволило перейти к разработке методики аналитической обработки, визуализации и документирования концептуальных представлений предметных задач.

В третьей главе изложена методика аналитической обработки концептуальных моделей. Разработаны алгоритмы выполнения процедур:

— формирования схем предметных категорий и их бинарных связей;

— формирования предметных зависимостей 2-го рода;

— определения содержания сложных предметных зависимостей 1-го рода;

— определения типологии предметных зависимостей 1 -го рода;

— расслоения концептуальной модели под постоянную информацию;

— визуализации концептуальных представлений предметных задач. Приведены правила заполнения спецификаций для описания получаемых данных, а также сформулированы требования к виду и содержанию необходимых документов для хранения и передачи описаний концептуальной модели на бумажных носителях.

Основанием для аналитической обработки являются ограничения, накладываемые универсальным концептуальным представлением на организацию семантических и синтаксических конструкций предметных задач. Исходной информацией являются результаты формирования базовых компонентов модели — спецификации и диаграммы их описания. Аналитическую обработку проектно-конструкторских задач выполняет специалист по представлению знаний (когнитолог). Результатом его работы являются заполненные спецификации производных компонентов модели, а также структурные и матричные диаграммы для отображения концептуальных представлений предметных задач.

В четвертой главе описана реализация программного средства поддержки аналитической обработки концептуальных моделей. В качестве средств реализации выбрана СУБД MS Access 2000, совместимая с другими компонентами MS Office — Excel, Word и PowerPoint — и обеспечивающая, благодаря последней версии встроенного языка программирования Visual Basic для приложений, единую интегрированную среду во всех приложениях Office.

Реализация автоматизированной подсистемы включала организацию вычислительной среды: разработку структуры и состава информационной базысоздание необходимых таблиц, содержащих описание моделинабор программных модулей, обеспечивающих выполнение описанных выше процедуринструкции по эксплуатации автоматизированного комплекса для пользователя и администратора системы.

Разработанные автоматизированные процедуры являются программными модулями, расширяющими возможности средства поддержки концептуального моделирования «ASCOM».

— 223-ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Выполненные исследования и практическая работа позволили получить следующие выводы и результаты:

1. Решена актуальная научная задача, состоящая в разработке метода аналитической обработки концептуальных представлений предметных задач, что обеспечивает повышение эффективности моделирования системы знаний проектно-конструкторской деятельности и, соответственно, процесса проектирования САПР машиностроительного назначения.

2. Развитие формального описания концептуальных представлений предметных задач, заключающееся во включении в состав концептуальной модели системы ограничений на производных семантических конструкциях, позволяет более полно отобразить специфику системы знаний машиностроительной области.

3. Формальное описание содержания сложных зависимостей, заключающееся в установлении взаимосвязи с содержательными аспектами простых зависимостей, позволяет сформировать полное семантическое описание предметной задачи и при необходимости реструктурировать функциональную структуру модели без потери содержательной связности.

4. Формальное описание типологии предметных зависимостей, заключающееся в формировании набора правил для различных ситуаций взаимосвязи предметных категорий, характеризующих зависимость, позволяет учесть и систематизировать все многообразие и сложность ограничений, применяемых в предметной задаче.

5. Формальное описание расслоения концептуальной модели под проектную и постоянную информацию, заключающееся в выделении фрагментов концептуальной структуры под статистические зависимости, позволяет более рационально организовать информационное пространство проектируемой автоматизированной системы.

— 2246. Разработанная на основе полученного формального описания методика аналитической обработки, визуализации и документирования концептуальных представлений предметных задач содержит алгоритмы формирования и моделирования производных компонентов концептуальной модели.

7. Разработанные программные модули процедур аналитической обработки, визуализации и документирования концептуальных представлений предметных задач расширяют возможности инструментальных средств поддержки методики концептуального моделирования при проектировании САПР машиностроительного назначения.

— 225.