Способ автоматизированного проектирования производства и эксплуатации прикладного программного обеспечения и система для его осуществления
METHOD FOR AUTOMATED DESIGN OF PRODUCTION AND OPERATION OF APPLIED SOFTWARE AND SYSTEM FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к средствам автоматизированного проектирования, производства и эксплуатации прикладного программного обеспечения, в том числе для автоматизированных систем управления технологическими процессами и может быть использовано для автоматизированных систем мониторинга и управления сложными организационными техническими системами с использованием систем поддержки приятия решений, а также для производства и эксплуатации прикладного программного обеспечения любого назначения.
Известен «Способ автоматизированного проектирования контактной сети», основанный на применении специальной структуры данных, разделенных по функциональному принципу, с организацией обмена данными между всеми банками данных, а также между банками данных и проектировщиком. При этом, контроль промежуточных вариантов проекта осуществляют под управлением, по меньшей мере, одного программного модуля (Патент РФ №2172978, М. кл G06F 17/50, опуб. 27.08.2001).
Недостатком известного способа является ориентация его в большей степени на расчет параметров и характеристик, а также его узкая специализация и возможность применения только для автоматизированного проектирования контактной сети.
Известен «Способ производства и сопровождения индивидуального программного продукта - технология esc-m» основанный на функциональной ориентации рабочих мест программистов (Патент РФ №2195016, М.кл G06F 17/50, опуб. 20.12.2002). Данный способ включает ввод исходных данных, индивидуализацию массива исходных данных, дополнение массива исходных данных постоянными и типовыми данными из серверных банков данных, программно-ориентированное преобразование массива исходных данных в массив данных продукта, тестирование продукта, пересылку электронной версии продукта абоненту внешней глобальной сети и обновление постоянных и типовых данных, причем выполнение каждого действия осуществляют на обособленном функционально специализированном автоматизированном рабочем месте и сопровождают последовательным вводом в серверные банки текущих данных атрибутов начального и конечного состояний действий с функцией соответствующего последовательности действий доступа обособленного функционально специализированного автоматизированного рабочего места к массиву данных продукта, а тестирование продукта проводят посредством программного установления тождественности сигнала применимости постоянных, типовых и нетиповых данных до и после обновления, при этом в качестве сигналов доступа к массиву данных продукта используют ввод атрибутов начального и конечного состояний действий и тождественность сигнала применимости.
Недостатками известного способа являются ориентация преимущественно на банковские системы и неизбежные ошибки проектирования, а также увеличенные сроки разработки прикладного программного обеспечения, вызванные проблемой взаимопонимания, присущей технологической последовательности взаимодействий заказчика - специалиста предметной области, системного аналитика, осуществляющего постановку задачи для программиста, и программиста разрабатывающего собственно прикладное программное обеспечение. Поэтому, после каждой итерации разработки, происходит уточнение технического задания на разработку прикладного программного обеспечения, уточнение задания системным аналитиком и так далее. Такой подход приводит к увеличению сроков программирования и множественным неточностям.
Наиболее близким из числа известных технических решений является «Способ автоматического программирования и устройство автоматического программирования» предназначенные для разработки программ для станков с числовым программным управлением, основанные на хранении исходных данных трехмерных моделей детали и заготовки в базе данных, совмещении на экране монитора трехмерной модели продукта с трехмерной моделью заготовки и осуществлении настройки при которой производят автоматическую разработку исполняемого модуля прикладного программного обеспечения обработки детали (Патент РФ №2311672, М. кл G05B 19/4093, B23Q 15/00, опуб. 27.11.2007).
Недостатками известного способа - прототипа являются - возможность производить прикладное программное обеспечение только для обработки трехмерных объектов, большие сроки разработки прикладного программного обеспечения и невозможность модификации программы в процессе эксплуатации.
Известна система для осуществления автоматизированного проектирования и производства прикладного программного обеспечения описанная в «Способ производства и сопровождения индивидуального программного продукта - технология esc-m» основанный на функциональной ориентации рабочих мест программистов (Патент РФ №2195016, М. кл G06F 17/50, опуб. 20.12.2002). Система содержит автоматизированные рабочие места (АРМ) функционально специфицированные для технолога - постановщика, аналитика - спецификатора и разработчиков программного обеспечения, а также группу серверных банков данных, систему контроля фаз технологического цикла, систему разделения и установки данных и систему средств рассылки программного пополнения, которые связаны друг с другом с помощью локальной вычислительной сети, к которой также подключена система доступа в глобальный интернет.
Недостатками известного устройства (системы) являются ориентация преимущественно на банковские системы и на доработку уже известного, разработанного ранее программного обеспечения. Также недостатком являются неизбежные ошибки проектирования и увеличенные сроки разработки прикладного программного обеспечения, вызванные проблемой взаимопонимания, присущей технологической последовательности взаимодействий заказчика - специалиста предметной области, технолога - постановщика, аналитика - спецификатора, осуществляющего постановку задачи для программиста, и программиста разрабатывающего собственно прикладное программное обеспечение. Поэтому, после каждой итерации разработки, происходит уточнение технического задания на разработку прикладного программного обеспечения, уточнение задания системным аналитиком и так далее. Такой подход приводит к увеличению сроков программирования и множественным неточностям.
Известно устройство - прототип (Патент РФ №2311672, М. кл G05B 19/4093, B23Q 15/00, опуб. 27.11.2007) содержащее блоки ввода, вывода и устройство отображения, вместе составляющие автоматизированное рабочее место, средства (процессоры) для редактирования данных и базы данных опосредованно связанные друг с другом. Данная система предназначена для разработки программ для станков с числовым программным управлением, основана на хранении исходных данных трехмерных моделей детали и заготовки в базах данных, совмещении на экране монитора трехмерной модели продукта с трехмерной моделью заготовки и осуществлении настройки по результатам которой производят автоматическую разработку исполняемого модуля прикладного программного обеспечения обработки детали.
Недостатками известной системы - прототипа являются - возможность производить прикладное программное обеспечение только для заранее созданной модели продукта и заготовки, обработки моделей типовых (трехмерных) продукта и заготовки, большие сроки разработки исходных моделей продукта и заготовки и как следствие, прикладного программного обеспечения, и невозможность модификации программы в процессе эксплуатации.
Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата являются - необходимость создания модели детали заранее, с помощью системы автоматизированного проектирования САПР, что приводит к большим срокам разработки прикладного программного обеспечения для мониторинга и управления сложными организационными техническими системами, особенно при наличии систем поддержки принятия решений в их составе. Поскольку модели объекта при его создании и при управлении и мониторинге могут существенно отличаться друг от друга, то требуется участие специалистов разных предметных областей: конструкторско-технологической, мониторинга и управления. Кроме того средства разработки моделей и средства генерации прикладного программного обеспечения находятся в разных средах и их совмещение в рамках одной среды не возможно, что препятствует оперативной модификации прикладного программного обеспечения, при этом используются только трехмерные модели объекта.
Задачей, на решение которой направлены заявляемые способ и система для его осуществления, является создание высокоэффективных, универсальных, независимых от предметной области, относительно быстродействующих и надежных средств автоматизированного проектирования, производства и эксплуатации прикладного программного обеспечения, непосредственно специалистами предметной области в процессе создания или проектирования систем мониторинга и управления, с возможностью оперативной модификации программного обеспечения в процессе его эксплуатации.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является сокращение сроков разработки и создания прикладного программного обеспечения, оперативная коррекция прикладного программного обеспечения в процессе его эксплуатации, возможность моделирования состояния контролируемых объектов путем присвоения значений измеряемым и вычисляемым параметрам, возможность создания прикладного программного обеспечения для любой предметной области.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе производят обработку массивов исходных данных, которые хранят в базе данных, и осуществляют программно - ориентированное преобразование массива исходных данных в исполняемый модуль прикладного программного обеспечения.
Согласно данному изобретению в начале формируют комплекс модели представления знаний о предметной области объекта мониторинга и управления, далее производят, на основе комплекса модели представления знаний, формирование модели объекта мониторинга и управления в виде полимодельного комплекса - моделей обработки данных и структур данных, моделей графического отображения элементов и процессов, логических моделей элементов и процессов объекта мониторинга и управления, затем эти модели полимодельного комплекса верифицируют и записывают в базу знаний, далее в процессе эксплуатации, осуществляется, на основании значений параметров целей анализа, извлечение полимодельного комплекса моделей из базы знаний, затем автоматическое программно - ориентированное преобразование выбранного полимодельного комплекса модели объекта мониторинга и управления в исполняемые модули прикладного программного обеспечения.
Указанный технический результат в частном случае обеспечивается тем, что прикладное программное обеспечение производит обработку данных измерений, оценку состояния и формирование альтернатив принятия решений.
Указанный технический результат в частном случае обеспечивается тем, что прикладное программное обеспечение модернизируют путем внесения изменений в полимодельный комплекс модели объекта мониторинга и управления.
Указанный технический результат в частном случае обеспечивается тем, что прикладное программное обеспечение в процессе эксплуатации моделирует состояние объекта управления путем присвоения значений измеряемым и вычисляемым величинам параметров контроля состояния.
В системе для осуществления способа указанный технический результат обеспечивается тем, что система автоматизированного проектирования, производства и эксплуатации прикладного программного обеспечения, содержит автоматизированное рабочее место пользователя, соединенное опосредованно с блоком редактора данных, который также, опосредованно связан, с базой данных.
При этом, в систему для осуществления способа, дополнительно вводят комплекс модели представления знаний, блок редактора знаний, базу знаний, менеджер проектов, верификатор модели, компилятор/компоновщик и исполнительную систему, при этом блок редактора данных связан опосредованно через менеджер проектов с блоком моделей представления знаний и также опосредованно через менеджер проектов с блоком редактора знаний, который связан с базой знаний, при этом база знаний соединена с менеджером проектов, который параллельно соединен с редактором базы данных, с редактором базы знаний, с автоматизированным рабочим местом и с верификатором модели, который, с другой стороны, связан с компилятором/компоновщиком соединенным, в свою очередь с базой данных, которая подключена к исполнительной системе, на входы которой подключены значения параметров целей анализа и управления и данные измерений.
Указанный технический результат в частном случае реализации системы обеспечивается тем, что комплекс модели представления знаний содержит блоки - форм отображения, схем анализа, стандартных сообщений, первичных и вторичных параметров, групп параметров, таблицы текстов, 3D мнемосхем, таблиц тарировок, матриц ситуаций, генератора меток, алгоритмов первичной обработки, таблиц допусков, подсистемы архивирования исходных данных и знаний, подсистемы документирования исходных данных и знаний, а редактор данных выполнен в виде - блока редактора форм отображений, соединенного с блоком форм отображений, блока редактора схем анализа, соединенного с блоком схем анализа, блока редактора сообщений, соединенного с блоком стандартных сообщений, блока редактора параметров, соединенного параллельно с блоками первичных и вторичных параметров, блока редактора групп параметров, соединенного с блоком групп параметров, блока редактора 3D мнемосхем, соединенного с блоком 3D мнемосхем, блока редактора тарировочных характеристик, связанного с блоком таблиц тарировок, блока редактора матриц ситуаций, соединенного с блоком матриц ситуаций, блока редактора генераторов временных меток, подсоединенного к блоку генераторов временных меток, блока редактора алгоритмов первичной обработки, соединенного с блоком алгоритмов первичной обработки, блока редактора допусковых характеристик, соединенного с блоком таблиц допусков, при этом все редакторы параллельно подключены к менеджеру проектов, с которым также параллельно соединены подсистема архивирования и подсистема документирования исходных данных и знаний
Указанный технический результат в частном случае реализации системы обеспечивается тем, что исполнительная система содержит модуль планирования и организации вычислительного процесса, модуль выбора информации из базы данных, модуль протоколирования, модуль межмашинного обмена, модуль организации связи с контроллерами, модуль выполнения внешних программ, модуль графического отображения технологической информации, модуль выполнения диалогов, модуль обработки команд оператора, модуль обработки технологических сообщений, модуль вывода звуковых сигналов, модуль отображения графиков, трендов, текстовых таблиц, модуль организации выполнения математических расчетов, модули расширения графических объектов, модули расширения для математических расчетов, при этом все модули параллельно связаны с модулем планирования и организации вычислительного процесса, а модуль выбора информации из баз данных также связан с базой данных, при этом на вход модуля межмашинного обмена подключены сигналы данных измерений и параметров целей анализа и управления.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата, получаемого при осуществлении изобретения. Предлагаемое в способе "программирование без программирования", позволяет самим специалистам в предметной области, или управленцам, создавать уникальные модули прикладного программного обеспечения автоматизации контроля и управления сложными техническим процессами и объектами, практически без участия профессиональных программистов. Действительно, введение комплекса модели представления знаний о предметной области позволяет специалисту предметной области в начале создать библиотеку знаний или примитивов предметной области, обеспечивающих всестороннее описание объекта управления. Далее эта библиотека позволяет создавать модель объекта мониторинга и управления в виде полимодельного комплекса, который обеспечивает представление системы мониторинга и управления в виде совокупности измерительных данных, в виде визуального отображения состояния объекта мониторинга и управления, и как системы взаимосвязанных статических и динамических процессов протекающих на и в объекте мониторинга и управления. Процесс разработки состоит в отладке пользователем процесса технологического управления (контроля функционирования) техническим объектом, записанного на понятном пользователю языке, состоящем из примитивов (объектов), которыми он оперирует. То есть проектируется техническая система автоматизации, по результатам проектирования которой автоматически производится исполняемый файл прикладного программного обеспечения.
Хранение модели в виде полимодельного комплекса модели (знаний), а не в виде данных, обеспечивает возможность автоматизированного проектирования, автоматического производства и автоматизированной эксплуатации прикладного программного обеспечения (ППО). Верификация модели обеспечивает устранение ошибок еще на этапе замысла, до создания ППО. Компиляция и компоновка модели позволяет получить исполняемый файл ППО и записать его в базу данных для передачи в исполнительную систему. В предлагаемом способе, процессы проектирования и производства ППО протекают практически одновременно, завершение проектирования означает завершение производства и начало эксплуатации ППО.
Взаимодействие специалиста предметной области с комплексом модели представления знаний (МПЗ), формирование полимодельного комплекса модели объекта мониторинга и управления, верификация модели и хранение ее в базе знаний, оперативное извлечение полимодельного комплекса из базы знаний в соответствии с параметрами и целями мониторинга и управления, преобразование модели путем компиляции и компоновки в исполняемый файл ППО и эксплуатация ППО в рамках единого процесса обеспечивает достижение поставленной цели изобретения.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение дополнительного технического результата, получаемого при осуществлении изобретения. Действительно, способ позволяет вложить в полимодельный комплекс модели обработки поступающих данных измерений, модели оценки состояния объекта мониторинга и управления и модели формирования альтернатив принятия решений в реальном масштабе времени.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение дополнительного технического результата, получаемого при осуществлении изобретения. Действительно, непосредственно в процессе эксплуатации ППО специалист предметной области может модернизировать ППО путем внесения изменений в полимодельный комплекс модели объекта мониторинга и управления.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение дополнительного технического результата, получаемого при осуществлении изобретения. Действительно в процессе эксплуатации ППО моделируют состояние объекта управления путем присвоения определенных значений измеряемым и вычисляемым величинам параметров контроля состояния, что обеспечивает проверку работоспособности объекта мониторинга и управления в процессе эксплуатации.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата, получаемого при реализации системы для осуществления предлагаемого способа. Действительно автоматизированное рабочее место (АРМ) пользователя необходимо для организации диалога между специалистом предметной области и комплексом МПЗ. АРМ соединен опосредованно с блоком редактора данных (РД), который необходим для обмена данными между специалистом предметной области и комплексом МПЗ. При этом РД также, опосредованно связан, с базой данных (БД), в которой хранятся исходные данные, а также исполняемые файлы ППО. При этом блок комплекса МПЗ необходим для хранения библиотеки примитивов предметной области описанных на визуальном языке высокого уровня и позволяющих описывать модели любых элементов и процессов объекта мониторинга и управления, блок редактора знаний (РЗ) обеспечивает извлечение знаний у специалиста предметной области и его взаимодействие с комплексом модели представления знаний и формирование полимодельного комплекса модели объекта мониторинга и управления, база знаний (БЗ) обеспечивает хранение полимодельного комплекса модели объекта мониторинга и управления, а также возможность, совместно с блоком РЗ, модификацию полимодельного комплекса модели объекта мониторинга и управления, менеджер проектов формирует требуемые виртуальные соединения между компонентами системы, а также осуществляет выбор режимов работы - ввод данных и знаний от специалиста предметной области, формирование полимодельного комплекса модели объекта мониторинга и управления, эксплуатации ППО. Верификатор необходим для проверки корректности, отсутствия тупиковых позиций и непротиворечивости полимодельного комплекса модели объекта мониторинга и управления [2, 5], компилятор/компоновщик транслирует модели в исполняемые файлы ППО, которые записывают в БД. БД соединена с исполнительной системой (ИС), которая необходима для выполнения ППО при поступлении на вход ИС измерительных данных или другой информации от объекта управления или внешней среды. Таким образом, система проектирования, производства и эксплуатации представляет собой единый комплекс, что выгодно отличает ее от традиционных систем, в которых проектирование, производство и эксплуатация осуществляется разрозненными, не связанными между собой системами.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение дополнительного технического результата, получаемого при осуществлении изобретения. Действительно, комплекс МПЗ и блок РД предлагается выполнить, например, в виде комплекса программных компонент, размещенных на соответствующих серверах. При этом программные блоки хранения и представления форм отображения, схем анализа, стандартных сообщений, первичных и вторичных параметров, групп параметров, таблицы текстов, 3D мнемосхем, таблиц тарировок, матриц ситуаций, генератора меток, алгоритмов первичной обработки, таблиц допусков, подсистемы архивирования исходных данных и знаний, подсистемы документирования исходных данных и знаний обеспечивают всю полноту представления знаний об объекте мониторинга и управления, а блоки редактора форм отображений, редактора схем анализа, редактора сообщений, редактора параметров, редактора групп параметров, редактора 3D мнемосхем, редактора тарировочных характеристик, редактора матриц ситуаций, редактора генераторов временных меток, редактора алгоритмов первичной обработки, редактора допусковых характеристик обеспечивают извлечение и фиксацию знаний основанных на данных и фактах, а редактор знаний обеспечивает извлечение и фиксацию логико - лингвистических, нечетких знаний, а в целом формирование специалистом предметной области полимодельного комплекса модели объекта мониторинга и управления.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение дополнительного технического результата, получаемого при осуществлении изобретения. Действительно, исполнительная система может быть выполнена как комплекс программных модулей: модуля планирования и организации вычислительного процесса, модуля выбора информации из базы данных, модуля протоколирования, модуля межмашинного обмена, модуль организации связи с контроллерами, модуля выполнения внешних программ, модуля графического отображения технологической информации, модуля выполнения диалогов, модуля обработки команд оператора, модуля обработки технологических сообщений, модуля вывода звуковых сигналов, модуля отображения графиков, трендов, текстовых таблиц, модуля организации выполнения математических расчетов, модуля расширения графических объектов, модуля расширения для математических расчетов. Данные модули необходимы для запуска исполняемых файлов ППО, включая выбор исполняемых файлов из БД, получение измерительных данных и параметров целей анализа, выполнение расчетных процедур, формирование оценок технического состояния и альтернатив принятия решений в соответствии с моделью объекта мониторинга и управления..
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявляемого объекта «Способ проектирования, производства и эксплуатации прикладного программного обеспечения и система для его осуществления» отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения, преобразований на достижение указанного технического результата и изобретение не основано на:
• дополнении известного устройства - аналога какой либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно этого дополнения;
• замене какой либо части устройства - аналога другой известной части для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
• исключении какой-либо части устройства - аналога с одновременным исключением, обусловленной ее наличием функции и достижении обычного для такого исключения результата;
• увеличении количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в устройстве именно таких элементов;
• выполнении устройства или его части из известного материала для достижения технического результата обусловленного известными свойствами материала;
• создании устройства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого устройства и связей между ними;
• изменении количественного признака (признаков) устройства и предоставлении таких признаков во взаимосвязи либо изменение вида взаимосвязи, если известен факт влияния каждого из них на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей,
следовательно, заявленное изобретение соответствует «изобретательскому уровню».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 представлена таблица основных этапов работы специалиста предметной области, на фиг. 2 представлена копия экранной формы визуального проектирования данных и структур данных, на фиг. 3 представлена копия экранной формы визуального проектирования форм отображения, на фиг. 4 представлена копия экранной формы визуального логического проектирования программ мониторинга и управления, на фиг. 5 представлена копия экранной формы визуального проектирования базы знаний, на фиг. 6 представлена функциональная схема предлагаемого способа, на фиг. 7 представлена структурная схема устройства, согласно предлагаемого способа, на фиг. 8 представлена блок схема алгоритма действий специалиста предметной области при проектировании прикладного программного обеспечения.
Согласно фиг. 6, устройство для реализации способа содержит автоматизированное рабочее место (АРМ) пользователя 1, редактор базы данных (РБД) 2, базу данных (БД) 3, модель представления знаний (МПЗ) 4, редактор базы знаний (БЗ) 5, базу знаний (БЗ) 6, менеджер проектов (МП) 7, компилятор/компоновщик (КК) 8, верификатор (ВФ) 9, исполнительную систему (ИС) 10. При этом АРМ 1 соединен с МП 7, обеспечивающим программное взаимодействие между основными программными компонентами и который параллельно соединен с РБД 2, БД 3, МПЗ 4, РБЗ 5, БЗ 6 и КК 8, выход которого подключен к ВФ 9, который связан с БД 3, которая, в свою очередь связана с ИС 10, на информационные входы которой поданы значения параметров анализа и измерительная информация. Редакторы РБД 2 и РБЗ 5 подключены к МПЗ 4, содержащей библиотеку примитивов предметной области, которая может обновляться и дополняться специалистом предметной области.
Согласно фиг. 7 блоки редактора данных РД 2 и комплекс моделей представления знаний МПЗ 4 содержат: редактор форм отображений РФО 2.1, соединенный с блоком форм отображений ФО 4.1, блок редактора схем анализа РСА 2.2, соединенный с блоком схем анализа СА 4.2, блок редактора стандартных сообщений РСС 2.3, соединенный с блоком стандартных сообщений СС 4.3, блок редактора параметров РП 2.4, соединенный параллельно с блоками первичных ПП 4.4 и вторичных параметров ВП 4.5, блок редактора групп параметров РГП 2.5, соединенный с блоком групп параметров ГП 4.6, блок редактора 3D мнемосхем P3DM 2.6, соединенного с блоком 3D мнемосхем 3DM 4.7, блок редактора тарировочных характеристик РТХ 2.7, связанный с блоком таблиц тарировок ТТ 4.8, блок редактора текстовых таблиц РТТ 2.8, соединенный с таблицами текстов ТТ 4.9, блок редактора матриц ситуаций РМС 2.9, соединенный с блоком матриц ситуаций МС 4.10, блок редактора генераторов временных меток РВМ 2.10, подсоединенный к блоку генераторов временных меток ГВМ 4.11, блок редактора алгоритмов первичной обработки РАПО 2.11, соединенный с блоком алгоритмов первичной обработки АПО 4.12, блок редактора допусковых характеристик РДХ 2.12, соединенный с блоком таблиц допусков ТД 4.13, при этом все редакторы параллельно подключены к менеджеру проектов МП 7, с которым также параллельно соединены подсистема архивирования АИД 4.14 и подсистема документирования ДИД 4.15 исходных данных и знаний.
А исполнительная система ИС 10 содержит: модуль планирования и организации вычислительного процесса ПОВП 10.1, модуль выбора информации ВИ 10.2 из базы данных, модуль протоколирования МП 10.3, модуль межмашинного обмена ММО 10.4, модуль организации связи с контроллерами ОСК 10.5, модуль выполнения внешних программ ВВП 10.6, модуль графического отображения технологической информации ОТИ 10.7, модуль выполнения диалогов ВД 10.8, модуль обработки команд оператора ОКО 10.9, модуль обработки технологических сообщений ОТС 10.10, модуль вывода звуковых сигналов ВЗС 10.11, модуль отображения графиков, трендов, текстовых таблиц ОГТТ 10.12, модуль организации выполнения математических расчетов ОВМР 10.13, модули расширения графических объектов РГО 10.14, модули расширения для математических расчетов РМР 10.15, при этом все модули параллельно связаны с модулем планирования и организации вычислительного процесса ПОВП 10.1, а модуль выбора информации из баз данных ВИ 10.2 также связан с базой данных БД 3, при этом на вход модуля межмашинного обмена ММО 10.4 подключены сигналы данных измерений и параметров целей анализа и управления.
Способ функционирует следующим образом. Описание начнем с описания работы специалиста предметной области с МПЗ, которая включает в себя три основных этапа (см. фиг. 1 и фиг. 8):
• Формирование динамических объектов рабочего стол - перечень окон (панелей) отображения, на которые отображаются происходящие события в текстовом или графическом видах (см. фиг. 2).
• Подготовка исходных данных (см. фиг. 2, 3).
• Описание алгоритма взаимодействия (схемы анализа) разрабатываемой системы между динамическими объектами и между входными/выходными каналами поступления измерительной и проанализированной информации (см. фиг. 4, 5).
Требования к квалификации пользователя - пользователь-непрограммист, специалист в прикладной предметной области с навыками работы оператора на персональном компьютере. Работа специалиста предметной области по формированию полимодельного комплекса объекта мониторинга и управления (ОМУ) согласно способу происходит следующим образом (см. фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8):
• Через АРМ 1, менеджер проектов 7 осуществляется обращение к блокам редактора данных РД 2.1-2.12 и знаний РЗ 5, проектирование с использованием блоков комплекса МПЗ 4.1-4.13 базы данных БД 3 и знаний БЗ 6 об объектах мониторинга. Этот этап подразумевает создание на основе конструкторской документации (КД), эксплуатационных документов, и другой доступной информации «скелета» информационной модели объекта мониторинга и управления (ОМУ) в виде иерархического представления. В дальнейшем, как правило, осуществляется возврат к этому этапу для развития и уточнения описания ОМУ;
• проектирование структур и типов данных. На данном этапе описываются параметры, переменные, таблицы текстов и другие структуры данных, используемые при мониторинге (с помощью РД 2.4 -2.5 и МПЗ 4.4-4.6;
• визуальное проектирование форм (РД 2.1 и 2.6 и МПЗ 4.1 и 4.7). Создаются мнемосхемы, диалоговые окна с которыми пользователь будет работать на этапе анализа;
• логическое проектирование программ мониторинга. Наиболее важный этап проектирования системы мониторинга. Пользователь, используя предлагаемый комплекс МПЗ, наполняет (или уточняет) созданное ранее описание ОМУ, то есть фактически описывает функционирование ОМУ с его подсистемами и элементами на языке предметной области, - до необходимого уровня детализации (РД 2.1, 2.2, 2.7-2.12 и МПЗ 4.1, 4.2 4.8-4.13).
Реализация предлагаемого способа в виде программного комплекса обеспечивает решение следующих задач:
• загрузку в базу данных измерительной информации произвольной природы (функционального, сигнального, цифрового и пр. вида измеряемых параметров) для последующего анализа и отображения;
• сохранение принятой и проанализированной информации в архивах;
• вторичную обработку и автоматизированный анализ измерительной информации с учетом предыстории;
• графическое представление принятой, обработанной и проанализированной измерительной информации в удобном для дальнейшего ее использования виде;
• оповещение о происшедших нештатных ситуациях, предусмотренных в программе анализа измерительной информации (визуальное, звуковое, формирование сигнальных команд);
• обмен информацией с другими вычислительными комплексами в рамках локальных вычислительных сетей.
• При этом целью анализа может быть:
• контроль функционирования объекта мониторинга и управления;
• контроль работоспособности объекта мониторинга и управления;
• диагностирование неисправностей объекта мониторинга и управления;
• прогнозирование поведения объекта мониторинга и управления и т.п.;
• отображение содержимого базы данных и знаний в виде и объеме, заданном пользователем (в том числе и в интерактивном режиме);
• документирование содержимого базы данных и знаний (как результатов измерений, так и результатов анализа измерительной информации).
После формирования полимодельного комплекса ОМУ, происходит его верификация [5], компиляция [7] и компоновка исполняемых файлов которые записываются в базу данных БД 3. Исполнительная система ИС 10 по приходу на ее вход параметров целей анализа перегружает исполняемый файл из БД 3 и запускает его исполнение.
Основное достоинство способа - "программирование без программирования", позволяет самим специалистам в предметной области или управленцам создавать уникальные модули прикладного программного обеспечения автоматизации контроля и управления сложными техническим процессами и объектами, практически без участия профессиональных программистов. Процесс разработки состоит в отладке пользователем процесса технологического управления (контроля функционирования) техническим объектом, записанного на понятном пользователю языке, состоящем из примитивов (объектов), которыми он оперирует. То есть проектируется техническая система автоматизации, по результатам проектирования которой автоматически производится исполняемый файл прикладного программного обеспечения.
В современном программировании можно выделить несколько основных парадигм, например: императивное или алгоритмическое программирование (С, Pascal), логическое программирование (Prolog), функциональное программирование (LISP, РЕФАЛ). Важное место в этом ряду занимает программирование в ограничениях (constraint programming), которое развивается особенно активно и становится все более популярным. Программирование в ограничениях является по своей сути максимально декларативным и основано на описании модели задачи, а не алгоритма ее решения [1]. Модель специфицируется в виде неупорядоченной совокупности отношений, которые соответствуют связям, существующим между параметрами задачи. Эти отношения, называемые общим термином "ограничения" могут иметь вид уравнений, неравенств, логических выражений и тому подобное.
Примечательно то, что одну и ту же модель можно использовать для решения различных задач. При этом постановка той или иной задачи конкретизируется путем добавления в модель ограничений на допустимые значения параметров или формулирования дополнительных связей между ними.
Основу способа составляет модельное описание предметной области или объекта управления с помощью комплекса модели представления знаний (МПЗ) в виде модифицированной семантической сети, атрибутами низшего эпистемологического уровня в которой являются денотаты предметной области, принцип взаимодействия с которой основывается на модельной технологии [2]. Данные МПЗ близки к вычислительным моделям, развитым в концептуальном программировании, и обобщенным вычислительным моделям в рамках недоопределенных вычислений. В МПЗ применяются модели декларативного описания предметной области, ориентированные на решение частных задач конкретного этапа мониторинга и управления, которые в целом можно рассматривать как единую специализированную обобщенную вычислительную модель для решения задач автоматизированного мониторинга и управления в реальном времени в ограничениях. В связи с этим свойства используемых моделей должны рассматриваться как сумма свойств каждой из моделей, используемых на предыдущих этапах моделирования. Модели, применяемые на всех этих этапах, базируются на априорном представлении знаний о предметной области в виде так называемых G-моделей [3]. Выразительные способности G-моделей позволяют представить любой этап мониторинга и/или управления в виде модели первичных и вторичных параметров, групп параметров, текстовых таблиц, 3D мнемосхем статических и динамических, изменяющихся при изменении параметров, различных форм отображения, в виде различных логических, логико-лингвистических, нечетких моделей, различных моделей обработки данных измерений. При этом модели формирует специалист предметной области, а не программист, что существенно сокращает сроки разработки прикладного программного обеспечения и количество ошибок. Специалист предметной области, формирует модели, оперируя примитивами предметной области, описанными на визуальных языках высокого уровня (CASE - средства ориентированные на конечного пользователя - специалиста предметной области) [4]. Хранение моделей в базе знаний обеспечивает возможность оперативного, в том числе в режиме реального времени, их изменения, возможность логического связывания отдельных моделей в единый модельный комплекс объекта управления, автоматизированный поиск и накопление новых знаний.
Система для реализации способа функционирует следующим образом (см фиг. 7 и фиг. 8).
Технически блок редакторов РД 2 обеспечивает взаимодействие специалиста предметной области с комплексом МПЗ 4: редактор форм отображений РФО 2.1, соединенный с МПЗ форм отображений ФО 4.1, блок редактора схем анализа РСА 2.2, соединенный с МПЗ схем анализа СА 4.2, блок редактора стандартных сообщений РСС 2.3, соединенный с МПЗ стандартных сообщений СС 4.3, блок редактора параметров РП 2.4, соединенный параллельно с МПЗ первичных ПП4.4 и вторичных параметров ВП 4.5, блок редактора групп параметров РГП 2.5, соединенный с МПЗ групп параметров ГП 4.6, блок редактора 3D мнемосхем P3DM 2.6, соединенного с МПЗ 3D мнемосхем 3DM 4.7, блок редактора тарировочных характеристик РТХ 2.7, связанный с МПЗ таблиц тарировок ТТ 4.8, блок редактора текстовых таблиц РТТ 2.8, соединенный с МПЗ текстов ТТ 4.9, блок редактора матриц ситуаций Р МС 2.9, соединенный с МПЗ матриц ситуаций МС 4.10, блок редактора генераторов временных меток РВМ 2.10, подсоединенный к блоку генераторов временных меток ГВМ 4.11, блок редактора алгоритмов первичной обработки РАПО 2.11, соединенный с МПЗ алгоритмов первичной обработки АПО 4.12, блок редактора допусковых характеристик РДХ 2.12, соединенный с МПЗ таблиц допусков ТД 4.13. При этом все редакторы функционально связаны с менеджером проектов МП 7, который управляет доступом к соответствующим ресурсам редакторов РД 2 и МПЗ 4. Подсистема архивирования АИД 4.14 и подсистема документирования ДИД 4.15 исходных данных и знаний обеспечивает накопление и сохранность исходных данных. После завершения разработки полимодельного комплекса исполнительная система ИС 10 получив через модуль межмашинного обмена ММО 10.4 данные параметров целей анализа выбирает из БД 3 с помощью модуля выбора информации ВИ 10.2 требуемый вариант модели, которая поступает в модуль планирования и организации вычислительного процесса ПОВП 10.1, который и организует выполнение всех вычислительных, логических и графических процедур прикладного программного обеспечения объекта мониторинга и управления. Модули протоколирования МП 10.3, организации связи с контроллерами ОСК 10.5, выполнения внешних программ ВВП 10.6, графического отображения технологической информации ОТИ 10.7, выполнения диалогов ВД 10.8, обработки команд оператора ОКО 10.9, обработки технологических сообщений ОТС 10.10, вывода звуковых сигналов ВЗС 10.11, отображения графиков, трендов, текстовых таблиц ОГТТ 10.12, организации выполнения математических расчетов ОВМР 10.13, расширения графических объектов РГО 10.14, расширения для математических расчетов РМР 10.15, предназначены для исполнения прикладных программ по каждому из разделов знаний в модельном представлении ОМУ.
При этом все модули параллельно связаны с модулем планирования и организации вычислительного процесса ПОВП 10.1, на вход модуля межмашинного обмена ММО 10.4 подключены сигналы данных измерений и параметров целей анализа и управления.
Модель представления знаний МПЗ 4 - по существу это система автоматизированной подготовки исходных данных и знаний, предназначена для занесения исходных данных и знаний об объекте мониторинга и управления, представленных измерительной информацией произвольной природы и логическими схемами обработки и подготовки принятия решений, в базу данных (БД) и базу знаний, просмотра и корректировки данных и знаний, содержащихся в БЗ и описывающих конкретный объект анализа.
МПЗ 4 [6] представляет собой совокупность баз данных хранящих примитивы предметной области (см. фиг. 5, фиг. 7 позиции 4.1-4.15) и позволяет для каждого объекта мониторинга и управления (ОМУ) оперировать (см. фиг. 2, 3, 4, 5, фиг. 7 позиции 2.1-2.12) со следующими типами данных:
• данные о параметрах;
• данные о текстовых таблицах;
• данные о поддиапазонах значений параметров;
• данные о группах параметров;
• данные о математических моделях;
• данные о макросах;
• данные о генераторах;
• данные о схемах анализа.
Первичные параметры - показатели свойств ОМУ, представляемые в виде значений измеряемых (телеметрируемых) параметров в реальном масштабе времени, характеризующих его состояние (см. фиг. 2, фиг. 7 позиции 2.4 и 4.4).
Вторичные параметры (переменные) являются показателями (характеристиками) состояния ОМУ, вычисляемыми по различным алгоритмам (схемам) на основе значений первичных параметров. Окончательные результаты оценки состояний ОМУ являются значениями вторичных параметров (см. фиг.. 2, фиг. 7 позиции 2.4 и 4.5).
Данные о поддиапазонах значений параметров предназначены для квантования их значений, если это необходимо (в частности, для осуществления перехода от непрерывной шкалы измерений к дискретному представлению значений параметров, используемому при анализе). В соответствии с таблицей поддиапазонов для указанных параметров вся область их значений разбивается на несколько уровней (квантуется по уровню) (см. фиг. 2, фиг. 7 позиции 2.12 и 4.13, 2.8 и 4.9).
Данные о группах параметров предназначены для указания тех совокупностей параметров или переменных, значения которых должны анализироваться совместно при отработке схем анализа - в процессе анализа измерительной информации. В состав каждой группы может входить не менее одного параметра или переменной.
Текстовые таблицы (таблицы строк текста) предназначены для подготовки исходных данных текстового параметра - текстовых сообщений, отображаемых в процессе анализа измерительной информации, характеризующих состояние объекта (см. фиг. 2, фиг. 7 позиции 2.6 и 4.7).
Данные о математических моделях (законах поведения параметров) - основа процесса анализа состояния, мониторинга и управления. С их помощью может быть проведен контроль правильности функционирования ОМУ на некотором этапе процесса анализа, определение режима его функционирования, диагностирование неисправностей (при их возникновении), прогнозирование поведения, выработка рекомендаций по управлению объектом (см. фиг. 4, фиг. 5, фиг. 7 позиции 2.2 и 4.2, 2.11 и 4.12). Схемы анализа представляют собой модель формализации знаний о последовательности и атрибутах процесса анализа. Их можно рассматривать как процедуры, написанные на специализированном языке макроопределений (операторов), каждый из которых выполняет элементарный (с точки зрения специалиста - эксперта по ОМУ) шаг анализа или преобразования входных данных в выходные в соответствии с целью анализа.
В зависимости от целей анализа пользователь формирует набор таких процедур - схем анализа, которые вызываются и отрабатываются во время сеанса анализа информации и представляют пользователю всю необходимую информацию о состоянии ОМУ.
Схемы анализа предназначены для описания (формализации) всего перечня действий, которые могут выполняться при решении задач оценки технического состояния объекта мониторинга и управления с привлечением всех подготовленных ранее исходных данных.
Генератор - предназначен для генерации временных меток реального и модельного времени в схемах анализа (см. фиг. 2, фиг. 7 позиции 2.10 и 4.11).
Макрос - определенная последовательность операторов, позволяющая исключить многократное повторение одинаковых операторов в схеме анализа и определить очередность их выполнения в процессе автоматизированного анализа телеметрической информации (см. фиг. 2, фиг. 7 позиции 2.9 и 4.10).
Для графического отображения значений измеряемых параметров, мнемосхем функционирования ОМУ используются стрелочные, полосковые, цифровые индикаторы, а также сигнализирующие панели различной формы и содержания. Перечисленные выше объекты создаются средствами графического редактора (см. фиг. 3, фиг. 7 позиции 2.1 и 4.1).
Технология подготовки исходных данных должна начинаться с описания свойств и особенностей контролируемого объекта - ОМУ. ОМУ можно представить в структурированном виде, состоящим из систем, подсистем и т.д. Фактически ОМУ является объектом анализа самого верхнего уровня иерархии. Каждую систему ОМУ можно рассматривать как отдельный объект анализа более низкого уровня, имеющий определенный конечный набор состояний, зависящих от значений первичных (измеряемых) параметров и вторичных (вычисляемых) параметров. Системы, в свою очередь, могут состоять из подсистем, также являющихся ОМУ еще более низкого уровня, но всегда количество таких уровней конечно и определяется заранее.
В качестве данных по контролируемому объекту могут быть представлены следующие характеристики:
• принадлежность объекта к области техники, науки и т.д.;
• наименование объекта;
• номер (серийный номер) объекта;
• дата создания (производства) объекта;
• специфические данные, характеризующие объект.
Для каждого ОМУ необходимо наличие перечня первичных (измеряемых) параметров и вторичных (вычисляемых) параметров, на основе анализа которых по заранее заданным моделям и алгоритмам можно судить о его состоянии, при этом должен быть представлен перечень возможных состояний ОМУ, например:
• исправен, неисправен, в аварийном состоянии;
• работоспособен, неработоспособен, работоспособен с незначительными ограничениями и т.п.
Для каждого ОМУ должно быть определено формализованное представление в виде, удобном для отображения и (или) документирования его состояний. Такое представление должно быть задано в виде мнемосхемы объекта или набора мнемосхем, характеризующих объект. Любые изменения, происходящие на мнемосхеме объекта анализа, происходят по результатам реализации моделей и алгоритмов анализа значений как первичных (измеряемых) параметров, так и значений, вычисленных в ходе сеанса анализа показателей, параметров и переменных.
Таким образом, для ОМУ должны быть заданы:
• перечень мнемосхем объекта;
• перечень первичных (измеряемых) параметров, определяющих состояние объекта;
• перечень вычисляемых в процессе анализа показателей (переменных, параметров), позволяющих судить о состоянии объекта;
• перечень моделей и алгоритмов, по которым происходит процесс анализа состояния объекта.
Основные возможности и характеристики программного комплекса для реализации предлагаемого способа:
7
количество одновременно анализируемых параметров: до 1,6×10;
диапазон значений анализируемых параметров: для целых чисел: от -2147483648 до 2147483647, для чисел с плавающей точкой - мантисса 15 значащих десятичных цифр, порядок - от -307 до +308;
количество значений анализируемых параметров в одном сеансе вторичной обработки до 6×1010;
точность временной привязки анализируемых событий и явлений до 10-3 секунды;
сложность унифицированных структурных вычислительных модулей:
матрицы ситуаций (до 512 ситуаций одновременно);
конечно-автоматные модели;
линейно-ограниченные автоматы;
уникальные модули произвольной мощности;
универсальные пакеты прикладных программ;
количество одновременно используемых панелей отображения результатов анализа и рабочих окон на одном мониторе - ограничено объемом доступной оперативной памяти и эргономическими возможностями.
Программный комплекс автоматизированного проектирования, производства и эксплуатации прикладного программного обеспечения для мониторинга состояния и управления может функционировать в среде операционных систем семейства Windows (Windows NT, Windows 2000, Windows XP), Linux, QNX и использовать в своей работе специализированную систему управления базами данных (СУБД), систему обеспечения многооконного графического интерфейса и языка программирования C/C++.
Как следует из вышеизложенного, достижение технического результата - сокращение сроков разработки и создание прикладного программного обеспечения одновременно с созданием моделей объекта управления и мониторинга, оперативная коррекция прикладного программного обеспечения в процессе его эксплуатации, возможность моделирования состояния контролируемых объектов путем присвоения значений измеряемым и вычисляемым параметрам, возможность создания прикладного программного обеспечения для любой предметной области обеспечивается тем, что в начале формируют комплекс модели представления знаний о предметной области объекта мониторинга и управления, далее производят, на основе комплекса модели представления знаний, формирование модели объекта мониторинга и управления в виде полимодельного комплекса - моделей обработки данных и структур данных, моделей графического отображения элементов и процессов, логических моделей элементов и процессов объекта мониторинга и управления, затем эти модели полимодельного комплекса верифицируют и записывают в базу знаний, далее в процессе эксплуатации, осуществляется, на основании значений параметров целей анализа, извлечение полимодельного комплекса моделей из базы знаний, затем автоматическое программно -ориентированное преобразование выбранного полимодельного комплекса модели объекта мониторинга и управления в исполняемые модули прикладного программного обеспечения. Сопоставление параметров, характеризующих заявляемые изобретения и прототип позволяет сделать вывод, что заявляемый способ и система для его осуществления обеспечивают создание высокоэффективных, универсальных, независимых от предметной области, относительно быстродействующих и надежных средств автоматизированного проектирования и эксплуатации прикладного программного обеспечения, непосредственно специалистами предметной области в процессе создания или проектирования систем мониторинга и управления, с возможностью оперативной модификации программного обеспечения в процессе его эксплуатации.
Кроме указанного достигаемого технического результата и преимуществ заявленного способа следует также отметить такие дополнительные их свойства как сокращение сроков проектирования и производства ППО, повышение эффективности эксплуатации ППО, возможность адаптации при изменении внешних условий или структуры объекта мониторинга и управления. Отличительной особенностью предлагаемого способа является то обстоятельство, что средства разработки прикладного программного обеспечения и средства эксплуатации совмещены в рамках единой системы. Предлагаемый на основе способа программный комплекс позволит существенно сократить сроки и расходы на создание или модификацию прикладного программного обеспечения систем мониторинга и управления состоянием объекта в реальном масштабе времени, а также повысить уровень автоматизации, надежность и эффективность этих процессов, расширить возможности управления объектами при деградации их структур, выявлять на ранних стадиях возникновение неисправностей и принимать соответствующие решения по предупреждению нештатных ситуаций.
Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполняются следующие условия:
• средство, воплощающее способ и систему для его осуществления предназначены для использования при разработке автоматизированных интеллектуальных информационных систем поддержки принятия решений в любой отрасли техники;
• а именно, в энергетике (АЭС, ГЭС), в ракетно-космической отрасли при подготовке и пуске ракет космического назначения.
• Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных или других известных до дачи подачи заявки средств;
• Средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентноспособности «промышленная применимость».
Источники информации
1. А.С. Нариньяни. Модель или алгоритм: новая парадигма информационной технологии. // "Информационные технологии", №4, М., 1997.
2. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов / М.Ю. Охтилев, Б.В. Соколов, P.M. Юсупов. - М.: Наука, 2006. - 410 с.
3. Охтилев М.Ю. Определение и основные свойства одной из модификаций вычислительных схем алгоритмов распознавания // Программирование, 1991, №6, С. 52-63.
4. Погорелов В.И. Система и ее жизненный цикл: введение в CALS-технологии: учебное пособие / Балт. Гос. Техн. Ун-т, - СПб., 2010. - 182 с.
5. Кулямин В.В. Методы верификации программного обеспечения: Институт системного программирования РАН - интернет ресурс: ict.edu.ru/ft/005645/62322e1-st09.pdf
6. Комплекс моделей представления знаний - http://science.mivar.ru
7. Иванова Г.С. Технология программирования.: учебник / Г.С. Иванова. - 3-е изд., стер. - М.: КНОРУС, 2016. - 334 с.