Формализация разнородной информации в САПР

УДК 658.512.001.572

ФОРМАЛИЗАЦИЯ РАЗНОРОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ В САПР В.В. Колуков, Ю.С. Сахаров, А.В. Муратов

Рассматриваются вопросы формализованного представления знаний предметной области - проектирование электронных средств - в виде единой информационной среды проектирования. Предлагаются модели для описания объектов и процессов проектирования, возможности объективирования, систематизации и формализации знаний субъекта проектирования для использования в САПР

Ключевые слова: проектирование, информация, электронное средство, модель

Введение

Одна из важных проблем проектирования состоит в отсутствии на настоящий момент завершенной теории, что существенным образом сказывается и на практике применения САПР. Следствием методологических трудностей, на наш взгляд, является недоиспользование возможностей формализации при проектировании, несмотря на имманентно во многом присущий этому виду деятельности эвристический и субъективный характер.

Проблема усугубляется тем, что из-за отсутствия достаточных инвестиций в производственную сферу и снижения социально-экономического статуса, многие проектные предприятия лишились опытных разработчиков. Возможным выходом из создавшегося положения является использование современных информационных технологий и, основанных на них, новых концепций проектирования. Реализацией указанного подхода может стать концепция интегрированной информационной среды проектирования (ИИСП) .

Представляемая далее система взглядов реализует гипотезу о необходимости и возможности объединения в единую систематизированную и формализованную общность имеющихся знаний, в том числе плохо формализуемых, на примере проектирования электронных средств (ЭС). Все знания предлагается систематизировать по следующим классам: объект проектирования, субъект деятельности, процесс проектирования, связи между ними и метазнания о системе.

Под интегрированной информационной средой проектирования в дальнейшем понимается система упорядоченных и формализованных знаний предметной области - проектирование ЭС-, включающая знания об

объекте и процессе проектирования, знания о субъекте проектирования, комплекс метазнаний об

организации ИИСП, её составных частях и их взаимосвязях.

Особенность предлагаемой концепции в том, что: во-первых, она принципиально ориентирована на использование в новых информационных технологиях проектирования, т. к. предполагает реализацию ИИСП в виде интеллектуальной САПР; во-вторых, в явном виде систематизировано учитывается субъект деятельности проектирования - человек; в-третьих, используются наиболее общие - информационные - модели для описания частей ИИСП, что обеспечивает её универсальность.

Для практической реализации предложенной концепции разработаны модели составных частей ИИСП. Основными требованиями при моделировании были требования универсальности и возможности представления модельных описаний в электронных базах.

Объект проектирования - электронное средство

Объект проектирования представляется на основе положений теории систем. В теоретико-множественных терминах система Б, заданная на

семействе множеств Е = {Е1 / IV1, п } определяется некоторым собственным подмножеством Ё, Ё схЕ декартова произведения хЕ = Е1 хЕ2 х...хЕг с помощью семейства отношений Я

8 = {Е,Щ.

Известно, что отношение Я, заданное на прямом произведении множеств, содержит по крайней мере одну постоянную составляющую, имеющую конкретное значение. Считают, что такое отношение Я определяется заданием некоторого более общего отношения, называемого структурой g, и конкретным значением свободной составляющей, которая названа конституэнтой отношения С

Колуков Владимир Васильевич - МГУПИ, канд. техн.

наук, доцент, e-mail: vvkolukov@mail.ru

Сахаров Юрий Серафимович - МГУПИ, д-р техн. наук,

профессор, e-mail: sakh@uni-dubna.ru

Муратов Александр Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук,

профессор, тел. 89056520403

й = {§,С},

где g - структура системы (схема), а С - множество конституэнт (параметров) отношения. В соответствии с этим структура системы получается в результате обобщения отношения, описывающего систему, если положить конституэнты отношения свободными.

Для описания технической системы (ТС) есть смысл ввести в явном виде указание на основную особенность (или свойство) организации (или действия) ТС. Это свойство (особенность) обычно называется принципом действия. В общем случае их может быть несколько, Р = {рь р2, ... рК}. Тогда модель ТС будет выглядеть следующим образом

8 = {Р, Е, ^ С},

где Р - множество принципов,

Е - элементы (части) ТС, g - структура (схема), С - множество параметров ТС.

Очевидно, что ЭС является частным случаем ТС и оно может представляться указанным выше способом. Рассматривая особенности ЭС, предложено [1] множество отношений Я между элементами Е разделить по их природе на электромагнитные ЯЭМ, механические ЯМ, тепловые ЯТ и геометрические (пространственные, компоновочные) ЯК, т.е. Я ={ЯЭМ, ЯМ, ЯТ, ЯК},со своими структурами §ЭМ, бм, бт, бк и конституэнтами СЭМ, СМ, СТ, СК. Тогда ЭС может быть представлено в виде

8 = {Р, Е, О, С},

где 8 - электронное средство,

Р - принципы организации ЭС, Р = {р1, р2,

. рК};

Е - элементы ЭС, Е = {е1, е2, ... ет};

О - множество структур, О = {§эм, Бм, Бт,

БК};

С - множество параметров, С = {СЭМ, СМ,

СТ, СК}.

Качественное различие отношений Я определяет в системе Б существование ряда при-родноразличных подсистем: электромагнитной БЭМ, механической БМ, тепловой БТ, пространственной (геометрической, компоновочной) БК. В общем случае указанные подсистемы взаимодействуют между собой и ЭС можно представить как

8 = {88, Я8},

где 88 - множество подсистем, Бб = {БЭМ, БТ, БМ, БК};

- семейство отношений между подсистемами.

При графической интерпретации указанных моделей, удается свести необходимые знания о всём разнообразии ЭС к простому модельному представлению в виде графа, который эффективно может быть размещен в базе. Разнообразие вариантов ЭС определяется множеством принципов Р, элементов Е, структур О и параметров С реализаций.

Таким образом, разработанная модель позволяет:

- описывать любые объекты проектирования с учетом их иерархического характера и различных видов связей между элементами;

- эффективно формировать, хранить и редактировать описание ансамбля вариантов в электронных базах;

- организовать формализованную процедуру синтеза (в том числе, и структуры) объекта.

Процесс проектирования

Другой важной частью знаний в ИИСП является совокупность знаний о процессе проектирования. Существует несколько различных представлений процесса. Наиболее

распространенной является содержательная модель, реализующая принцип декомпозиции, когда единый процесс проектирования П представляется в виде совокупности {А1} частных задач А1, А2, ... А1, ... Ам, объединенных известным маршрутом М,

П < {А1},М >.

Однако указанная трактовка процесса П проектирования из-за ряда недостатков (например, отсутствие универсальности) не может быть непосредственно использована при построении ИИСП. Необходимо реализовать наиболее общее представление о процессе П, которое, на наш взгляд, должно описывать внутреннюю сущность проектирования как вида деятельности.

Исходя из указанного, в качестве модели процесса проектирования П при построении ИИСП использована наиболее общая модель, трактующая процесс как многократно повторяющиеся, различные виды деятельности: синтез, анализ, принятие решения, названная семантической моделью [2].

С учетом введенной ранее системной модели ЭС, далее сформулировано множество типовых процедур, составляющих процесс проектирования:

- синтез компоновочной подсистемы БК, в свою очередь распадающийся на процедуры синтеза принципов РК, состава элементов ЕК, синтез компоновочной схемы бк, синтез параметров СК компоновки;

- синтез механической подсистемы Бм и т.д.

Однако введенные модели ЭС и процесса П не дают возможности определить последовательность, маршрут М, выполнения установленного набора типовых процедур.

Из-за сложности одновременного проектирования подсистем БЭМ, БТ, БМ, БК, реально возможно последовательное или последовательно-параллельное проектирование. Далее сделан вывод о том, что последовательность М выполнения процедур должна определяться условием минимальной неопределенности в информации для реа-

лизации очередной типовой процедуры проектирования. Исходя из принятого условия выявляется типовая практическая стратегия проектирования ЭС, которая, в каждом конкретном случае, корректируется в зависимости от совокупности имеющихся исходных данных о проектной ситуации с получением собственного рабочего перечня решаемых задач А = { А1} и своего маршрута проектирования М

П = {Зид, {А,}, М}.

Таким образом семантическая модель отличается универсальностью и возможностью выявить сущность проектирования. Использование модели в сочетании с введенным системным представлением об объекте проектирования позволяет систематизировать знания о процессе проектирования с выработкой маршрутов проектирования любых объектов и, кроме того, получить метазнания для построения ИИСП.

Субъект деятельности проектирования - человек, коллектив разработчиков

Оценивая множество моделируемых в ИИСП знаний субъекта, необходимо разделить их на два типа:

- знания опытных разработчиков и коллективов («проверенные» на практике),

- знания конкретного, единичного проектировщика при использовании ИИСП. Систематизированный учет первой группы знаний может быть реализован с помощью методов искусственного интеллекта, например, в виде экспертной системы проектирования. К сожалению, в настоящий момент неизвестны коммерческие экспертные системы проектирования, аккумулирующие в полной мере всю совокупность эвристических знаний опытных разработчиков.

При разработке прототипа электронной версии ИИСП была предложена и реализована модель знаний субъекта в виде совокупности Ф фактов и правил N продукции типа

"ЕСЛИ факт <ф> то факт <ф^",

как наиболее полно отвечающая условиям задачи моделирования знаний проектировщиков при построении базы знаний экспертной системы.

Особенность реализации общего подхода в данном случае состояла в необходимости учета группирования многих фактов и иерархической структуры порций знаний. Поэтому в качестве фактов выступают иерархические квазифреймовые образования .

Другой особенностью моделируемых знаний субъекта является необходимость учета степени их неопределенности. В реализуемой версии ИИСП это достигается введением вероятности W существования фактов Ф и правил N.

Таким образом, учет субъекта проектирования в ИИСП реализован, во-первых, в виде сформулированных экспертом множества фактов-условий УЭ, фактов-ограничений ОЭ, правил N Э использования соответствующих порций информации базы знаний, во-вторых, в виде учета знаний проектировщика-пользователя ЗП при выборе оптимального маршрута М проектирования. Последнее выполняется за счет двухэтапной процедуры поиска решений; причем на одном из них - сценарии - реализуется систематизированный ввод необходимой и достаточной для работы экспертной системы порции знаний ЗП субъекта-пользователя.

В итоге, введенное модельное представление о субъекте позволяет систематизировано учитывать при проектировании как совокупность эвристических знаний опытных разработчиков, так и конкретных пользователей. Кроме того, указанные знания могут храниться, пополняться, редактироваться и тиражироваться. Особо нужно отметить то, что объективированные эвристические знания опытных разработчиков могут быть использованы при обучении.

Знания о знаниях по проектированию ЭС -метазнания ИИСП

Под метазнаниями ИИСП понимается сравнительно устойчивая совокупность знаний об организации среды проектирования, её составных частях, их взаимодействиях, решаемых задачах, о способах пополнения знаний и об адекватности ИИСП и предметной области.

Очевидно, метазнания представляют собой всю совокупность изложенных выше взглядов о построении ИИСП. Часть указанной информации достаточно просто формализуется (например, модели объектов в виде совокупности графов; множество вариантов ТЗ, множество вариантов сценариев и задач). Некоторые знания в явном виде отсутствуют в ИИСП (например, сведения о семантике и стратегии процесса проектирования), но являются основой для построения маршрута проектирования в каждом конкретном случае.

Используя введенное модельное

представление объекта проектирования О, процесса П, знаний субъектов ЗС и метазнаний ЗМЕТА, возможно объединить имеющиеся разнородные знания о проектировании ЭС в единой систематизированной и формализованной интегрированной информационной среде

проектирования в достаточно простом виде

ИИСП = <{01}, {П Зс, Змета >,

где ИИСП - знания о проектировании,

{01} - знания о множестве объектов проектирования;

{П ^ - знания о множестве вариантов процессов;

ЗС - знания субъекта проектирования;

ЗМЕТА - метазнания об организации

ИИСП.

Практическая реализация концепции ИИСП в настоящее время представлена разработанным прототипом электронной версии среды, которая используется как при решении конструкторских задач, так и в виде сетевых учебно-методических комплексов для обучения проектированию конструкций ЭС.

Заключение

Предложен новый подход к формализации разнородной информации в САПР, основанный на концепции интегрированной среды проектирования, включающей системное модельное рассмотрение предметной области, в том числе объекта, процесса, субъекта и комплекса знаний об организации среды, на основе информационных представлений о них. Подход позволяет объединить и систематизировать известные и выявлять новые знания как по отдельным составным частям предметной области, так и в целом методологии проектирования, повышать эффективность процесса проектирования и обучения проектированию, а в конечном итоге, повысить качество ЭС и снизить затраты на проектирование.

Результаты исследований целесообразно использовать в системах обработки сигналов и кодирования при реализации на ПЛИС [4,5], а также при решении задач оптимального проектирования и подготовки производства [6].

1. Колуков В. В. Об оптимальном техническом проектировании МЭА на основе базовых конструкций. Труды МЭИ, вып 498. - М.: МЭИ, 1980 г.

2. Колуков В. В. Конструкторское проектирование РЭС в интеллектуальной САПР. // Журнал ВНИИМИ. 1997 г. Вып 1-2.

3. Колуков В. В. Проектирование электронных систем на основе синтеза и принятия решений. Журнал "Электромагнитные волны и электронные системы". -М: 2006. № 8. с 45-48

4. Башкиров, А.В. Преимущество параллельных алгоритмов цифровой обработки сигналов над последовательными алгоритмами при реализации на ПЛИС [Текст] / А.В. Башкиров, А.В. Муратов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. -Т. 8 .- № 1. - С. 89-92.

5. Башкиров, А.В. Проблема высокоэффективного помехоустойчивого кодирования цифровых сигналов при реализации на ПЛИС [Текст] / А.В. Башкиров, А.В. Муратов // Радиотехника. - 2012. - № 2. - С. 28-30.

6. Оптимизация проектирования и подготовки производства радиоэлектронных модулей при создании радиотехнических систем и устройств А.В. Муратов, С.В. Иванов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 1. - С. 117-124.

7. Подвальный, С. Л. Многоальтернативные системы: обзор и классификация/ С.Л. Подвальный // Системы управления и информационные технологии. - 2012. - Т.48. - № 2. - С4-13.

8. Системы искусственного интеллекта и принятие решений / Т. М. Леденева, С. Л. Подвальный, В.И. Васильев - Уфа: изд. УГАТУ. 2005

9. Подвальный, С. Л. Принципы разработки интеллектуальных систем моделирования [Текст] / С. Л. Подвальный, Т. М. Леденева, Е. С. Подвальный, А. Д. Поваляев, А. А. Маслак // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2013. - Т. 11. - № 8. - С. 025-030.

Литература

Московский государственный университет приборостроения и информатики Воронежский государственный технический университет

FORMALIZATION OF THE HETEROGENEOUS INFORMATION IN CAD V. V. Kolukov, Yu.S Sakharov, A.V. Muratov

The questions of the formalized representation of subject area knowledge - designing electronic means - in the form of the uniform information environment of designing are considered. Models for the description of objects, processes of designing, for an opportunity of objectivation, systematization and formalization of designing subject knowledge for use in the CAD are suggested

Key words: designing, information, electronic, models