Разработка методов и средств поддержки визуального концептуального моделирования проектно-конструкторских задач при создании САПР машиностроительного назначения

В современных экономических условиях предприятиям машиностроительной отрасли необходимо повышать конкурентоспособность выпускаемой продукции путем ее совершенствования. Изменение и усложнение выпускаемой продукции требует постоянного увеличения объема проектно-конструкторских работ. В то же время, своевременный выход продукции на рынок обеспечивается только при условии минимизации затрат времени на проектирование и подготовку производства. Сокращение времени запуска продукции в производство достигается при помощи применения автоматизированных систем, поддерживающих различные этапы жизненного цикла продукции. Развитие производства и совершенствование выпускаемых машин требует постоянного создания новых и совершенствования существующих автоматизированных систем.

Для обеспечения поддержки разработки автоматизированных систем в настоящее время используется широкий спектр инструментальных средств, методов и технологий. Он включает в себя как простые программы, так и сложные программные комплексы. В основе этих инструментальных средств лежит одна или несколько существующих методологий разработки автоматизированных систем или САБЕ-методологий.

Применение традиционных методов и средств разработки автоматизированных систем к разработке САПР машиностроительного назначения затруднено из-за специфических особенностей проектно-конструкторской деятельности. Анализ выявил целый ряд факторов, обусловливающих трудности и проблемы при создании САПР для машиностроения: — большое разнообразие объектов проектирования, затрудняющее создание САПРмногоплановый характер связей между свойствами изделий и процессами их проектирования, функционирования и изготовления- - наличие недокументированных знаний и соглашений о свойствах проектируемого изделия, не отраженных в проектном решении- - наличие различных аспектов представления знаний об изделии, являющихся частями единого представления и неявно связанных между собой- - итерационный и неформализованный процесс разработки.

Указанные особенности процесса проектирования приводят к тому, что разработка автоматизированных систем машиностроительного назначения становится продолжительной, требует больших материальных и трудовых затрат. При этом по мере систематизации знаний о предметной области требуются значительные переделки в структуре разрабатываемой системы, что приводит к снижению эффективности автоматизации проектирования.

К новым подходам в области автоматизации проектирования относится методология автоматизации интеллектуального труда (МАИТ), поддерживающая создание автоматизированных систем промышленным способом. Процесс создания САПР машиностроительного назначения на базе МАИТ включает в себя следующие этапы:

— предпроектное обследование организации;

— проектирование САПР;

— подготовка реализации;

— изготовление САПР.

Преимуществами такого подхода к созданию САПР являются: — последовательное отображение формальных моделей прикладной задачи- - наличие моделей как программно-независимых, так и ориентированных на конкретную программно-техническую среду- - наличие закономерностей формирования и отображения формализованных моделей.

В рамках МАИТ разработана методика концептуального моделирования предметных задач, позволяющая фиксировать систему знаний предметной области в виде формализованных моделей и обеспечивающая смысловое единство всех последующих формально-языковых представлений этих задач. Фиксация системы знаний проектно-конструкторских задач в соответствии с указанной методологией осуществляется вручную в форме диаграмм и в автоматизированном режиме в форме спецификаций. При этом при переносе информации с диаграмм в спецификации не исключались ошибки, что снижало эффективность всего концептуального моделирования в целом. Поэтому особую актуальность приобретает задача визуального моделирования системы знаний предметных задач при создании САПР машиностроительного назначения.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию вопросов применения визуального способа отображения проектной информации для повышения эффективности процесса переноса знаний предметных специалистов и данных из справочной литературы в программно-техническую среду. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются основные задачи и положения, выносимые автором на защиту. Приводится структура и общее содержание работы по главам.

В первой главе приведен анализ существующих методологий создания автоматизированных систем, использующих визуальное представление различных структур разрабатываемой системы, рассмотрены требования к визуальному представлению системы знаний проектно-конструкторских задач и проанализирована возможность применения существующих методов и средств его автоматизированной поддержки.

Анализ процесса проектирования выявил его сложный, итерационный характер, что необходимо учитывать при создании САПР. Планирование структуры и функционирования автоматизированных систем на ранних этапах их создания позволяет облегчить разработку и гарантировать качество выпускаемых САПР. В качестве основания для работ по планированию и проектированию автоматизированных систем используются методологии структурного анализа или САБЕ-методологии. Однако, применение существующих САБЕ-методологий и программных средств их поддержки для разработки САПР машиностроительного назначения затруднено в силу сложности разрабатываемых систем и ограниченного характера самих методологий.

В качестве альтернативы существующим САБЕ-методологиям предлагается использовать методологию автоматизации интеллектуального труда (МАИТ), поддерживающую промышленный способ создания САПР. По сравнению с другими методологиями, МАИТ обладает рядом преимуществ. Для представления системы знаний предметной задачи.

Во второй главе приводится уточненное формальное описание концептуального представления предметной задачи.

Уточнение формального описания концептуального представления предметной задачи обусловлено необходимостью введения дополнительного индекса размерности при ограничениях на концептуальную.

— //структуру и при индексе, характеризующем набор предметных категорий, на которые накладывается ограничение.

Введение

дополнительного индекса отражает тот факт, что предметные зависимости сами образуют иерархическую структуру, на каждом уровне которой имеется непустое их подмножество. После уточнения моделей различных уровней абстрагирования было проведено уточнение ' взаимосвязи и интеграции концептуальных моделей. Уточнение формального описания концептуального представления предметных задач позволило перейти к разработке математической модели визуального представления концептуальных моделей.

В третьей главе приведено формальное описание визуального представления системы знаний проектно-конструкторских задач, а также формальные основы их моделирования. Концептуальное представление предметных задач включает в себя совокупность моделей разного уровня абстрагирования, каждая из которых представляет собой набор взаимоувязанных статических и динамических конструкций, поэтому визуально такие конструкции фиксируются в виде иерархических структур. Наиболее эффективным математическим аппаратом для описания иерархических структур является теория графов.

Множество элементов каждой составляющей концептуальной модели отображается во множество элементов (вершин) графа визуального представления соответствующего вида. Связи между элементами представляются в виде ребер графов, В соответствии с составом концептуальных моделей на объектном уровне выделяется четыре вида графов — понятийный (граф структуры предметных категорий), граф структуры схем предметных категорий, функциональный (граф структуры предметных зависимостей) и содержательный (граф связи между предметными зависимостями и предметными категориями). На конкретном уровне выделяются четыре таких же графа для экземпляров ПК и ПЗ.

Инвариантное формальное описание позволяет производить аналитическую обработку с целью исследования свойств визуального представления концептуальных моделей. Задачами аналитической обработки являются: определение типологии как простых (соответствуют элементарным ПЗ), так и сложных (сложные ПЗ) вершин функционального графа, а также построение содержательной структуры для сложных вершин.

В четвертой главе изложена методика построения визуальных моделей концептуальных конструкций проектно-конструкторских задач. Предложенная методика используется при автоматизированной разработке и фиксации в форме диаграмм визуального представления системы знаний о выделенной предметной области.

Использование визуальных образов в представлении сложных структур облегчает восприятие информации, позволяет передавать одновременно сведения о составе и связях между элементами. Для предлагаемой методики разработана система образов, правила создания диаграмм для каждого вида модели и правила идентификации всех видов элементов.

С учетом вида геометрического пространства представления приведены детализированные алгоритмы дополнительной обработки визуальных концептуальных моделей, основанные на сформулированных в третьей главе алгоритмах аналитической обработки.

Применение данной методики позволило снизить количество ошибок при фиксации знаний о предметной области в виде концептуальных моделей системы знаний. Разработанная методика позволила перейти к созданию инструментальных средств, поддерживающих построение визуальных моделей системы знаний проектно-конструкторских задач.

В пятой главе дано описание разработанных средств поддержки визуализации концептуальных моделей проектно-конструкторских задач, а именно описание программно-технических средств, выбранных для реализации системы формирования визуального представления структуры предметных зависимостей, состав и структура ее ядра, описание процесса функционирования комплекса. Также приведены результаты апробации автоматизированной системы для задачи «Проектирование узла стойка вертикального агрегатного станка с поворотным столом».

В приложении приводятся диаграммы, спецификации и отчеты по функциональной составляющей концептуальной модели задачи «Проектирование узла стойка для агрегатного станка с поворотным столом», а также последовательность работы с программным средством «ССЮА» .

1. Анализ существующих методов и средств визуального моделирования системы знаний проектно-конструкторских задач на этапе проектирования САПР.

Заключение

и общие выводы.

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

1. Получено новое решения актуальной научной задачи, состоящее в разработке метода визуального моделирования системы знаний проектно-конструкторских задач, обеспечивающем их наглядное представление при проектировании САПР.

2. Установлены связи между характеристиками концептуальных моделей проектно-конструкторских задач и свойствами их визуального представления. Обоснован принцип визуального отображения концептуальных моделей.

3. Обосновано формальное описание визуального представления концептуальных моделей, включающее описание состава, структуры и взаимосвязей визуального представления концептуальных моделей разных уровней абстрагирования.

4. Обоснована возможность аналитической обработки визуального представления концептуальных моделей, которая позволяет исследовать свойства и структуру моделей, а также произвести согласование и увязку ее различных составляющих.

5. На основе полученного формального описания разработана методика построения визуальных концептуальных моделей для функциональной составляющей проектно-конструкторских задач. Данная методика включает описание состава, свойств, правил построения и обработки для всех видов моделей, используемых для представления системы знаний. Разработанная методика позволила перейти к созданию инструментальных средств, поддерживающих построение визуальных моделей системы знаний проектно-конструкторских задач.

6. Разработана автоматизированная система поддержки визуального построения системы предметных зависимостей при создании САПР машиностроительного назначения. С использованием данного программного средства в АО «Мое СКВ АЛ и АС» была проведена разработка автоматизированной подсистемы проектирования узла стойка.