Глава 6 Информационное обеспечение
6.1. Информационная структура процесса проектирования
Обобщенно процесс проектирования с информационной точки зрения можно представить в виде последовательности определенных этапов:
1) восприятие исходной информации, содержащейся в задании на проектирование;
2) выработка стратегии проектирования;
3) формирование запроса и поиск информации;
4) восприятие информации;
5) обработка и отображение информации;
6) анализ и выбор вариантов;
7) документирование результатов.
Рассмотренную совокупность этапов процесса проектирования можно отобразить в виде информационной структуры (рис. 6.1.), выделив человеку творческие функции и возложив выполнение формализуемых информационных процессов на комплекс технических средств хранения, передачи, обработки и выдачи различных видов информации.
На вход этой системы поступает информация, содержащаяся в ТЗ, а выходом является проектно-конструкторская документация.
Информация, содержащаяся в ТЗ на разработку и предназначенная для количественного и качественного описания характеристик будущей ТС, представляет собой переменную информацию. На основе этой информации проектировщик (П) определяет стратегию проектирования и формирует запрос для поиска информации, необходимой для проектирования. Для этой цели в САПР существует массив постоянной информации (сведения, накапливаемые в системе за сравнительно длительный промежуток времени), содержащийся в информационной подсистеме (ИП). В состав информационного фонда входят сведения о мировом научно-техническом уровне (МНТУ), представляющие информацию о перспективных ТС и их функциональных элементах, включая описания патентов и изобретений. Кроме того, хранятся методики проектирования (МП), представляющие собой формализованный коллективный опыт специалистов в данной области, руководящие и справочные документы (РСД), включающие ГОСТы, ОСТы, нормали, требования ЕСКД и т.п. В ИП имеется архив, представляющий хранилище накопленного опыта в виде данных о предыдущих разработках.
Для детализации модели будущей ТС на основе реализации итеративных циклов синтез-анализ, а также для отображения результатов проектирования служит подсистема обработки и отображения информации (ПООИ), которая состоит из средств обработки информации (СОИ) и устройств отображения информации (УОИ). Именно при взаимодействии с этой подсистемой проектировщик реализует свои творческие способности.
Подсистема документирования (ПД) предназначена для преобразования информации, полученной в ПООИ, и представления ее в виде законченной документации. Проектно-конструкторская документация (ПКД) является основным результатом функционирования системы проектирования и формируется с помощью средств документирования и размножения информации (СДРИ).
Подсистема исследования моделей и образцов (ПИМО) - предназначена для осуществления обратной связи, позволяющей установить степень соответствия между проектом и опытным образцом (или моделью). Эта задача решается с помощью как математических экспериментов, так и физических (натурных испытаний).
6.2. Основы построения информационно-вычислительных систем
Проектирование с информационной точки зрения - это связанная совокупность процессов преобразования одних данных в другие. Как отмечалось выше, для реализации процесса проектирования в САПР необходима исходная постоянная и переменная (сведения из ТЗ) информация.
Постоянная информация составляет информационный фонд (ИФ) САПР - совокупность данных, используемых всеми компонентами САПР.
Информационное обеспечение САПР - это совокупность ИФ и средств его ведения. В состав ИФ, помимо отмеченных на рис. 6.1 сведений о мировом научно-техническом уровне разработок, нормативно-справочной проектной документации, методик проектирования и текущей проектной документации, входят программные модули, хранящиеся в виде символических или объектных текстов. Они имеют фиксированные размеры и взаимосвязи и формируются на этапе создания информационного фонда САПР. Потребителями их являются мониторы различных подсистем САПР. В ИФ содержатся также исходные и результирующие данные, необходимые для выполнения программных модулей в процессе преобразования входной информации в выходную. Этот тип данных часто меняется в процессе проектирования.
Проблема организации ИФ сводится к выбору способов его ведения и управления массивами данных. Различают следующие способы ведения ИФ:
1) использование файловой системы;
2) построение библиотек;
3) использование банков данных (БНД);
4) создание информационных программ-адаптеров.
Первый и второй способы широко применяются в организации информационного обеспечения вычислительных систем. В приложении к САПР они могут использоваться при хранении программных модулей в символических и объектных кодах, диалоговых сценариев процесса проектирования, текстовых документов, а также при вводе крупных массивов исходных данных. Однако эти способы малопригодны для обеспечения быстрого доступа к данным, хранения меняющихся данных, ведения текущей проектной документации, организации взаимодействия между разноязыкими модулями.
Для организации гибкой информационной системы для САПР конструктора-машиностроителя перспективно сочетание третьего и четвертого способов ведения ИФ. Использование БНД позволяет централизовать ИФ, производить структурирование данных в форме, удобной для проектировщика, обеспечивать оперативный поиск информационно-справочной и проектной документации, упрощать организацию межмодульного интерфейса путем унификации промежуточных данных.
БНД состоит из баз данных (БД) и системы управления базами данных (СУБД). Различные типы данных компонуются в базы и структурируются. Типы БНД и их взаимодействие с прикладными программами с использованием унификации промежуточных данных будет рассмотрено ниже.
В крупных САПР, ориентированных на комплексное проектирование сложных объектов, информационное обеспечение организуется в виде автоматизированных БНД, которые представляют собой системы технических, информационных, математических, программных, языковых и организационных средств, предназначенных для централизованного накопления и коллективного использования данных. Часть функций БНД реализуется программно-техническими средствами, а другая часть - техническим персоналом.
Способ ведения ИФ с использованием информационных программ-адаптеров позволяет решить проблему межмодульного интерфейса. Особенность его заключается в унификации промежуточных данных с помощью единого процессора путем построения специальных программ, в результате чего крупные программные комплексы строятся из готовых модулей.
Создание САПР, ориентированных на проектно-конструкторские задачи, потребовало нового подхода к созданию информационно-вычислительных систем (ИВС). Спецификой данного класса задач является наличие неполной входной информации, что приводит к необходимости создания специальной информационно-справочной системы и обеспечения ее взаимодействия как с человеком, так и с пакетами программ проектирования. ИВС САПР отличается от традиционных ИВС наличием развитых средств машинной графики и графического взаимодействия, причем все эти средства объединяются в подсистемы, называемые подсистемами графического обеспечения (ПГО). Функционально в ИВС САПР можно также выделить центральную подсистему обработки информации (ЦПОИ) и информационно-поисковую подсистему (ИПС), которая обеспечивает обмен информацией между БНД и ЦПОИ (рис.6.2). ЦПОИ строится по модульному принципу, причем в качестве модулей используются специализированные процессоры и ЭВМ.
6.3. Банк и базы данных САПР
БНД САПР - это подсистема, обеспечивающая включение, хранение и выдачу информационных массивов, содержащих разнообразные сведения о проектируемых объектах. Как отмечалось выше, БНД включает базы данных (БД) и систему управления базами данных (СУБД). БД - это совокупность информационных массивов, а СУБД представляет программное обеспечение для управления БД, заключающееся в реализации доступа к БД со стороны прикладных программ проектирования, а также со стороны пользователя, когда требуется изменить содержание и формы записи в БД. В настоящее время разработано много типов СУБД для поддержания различных структур данных, которые могут быть использованы для обеспечения информационных потребностей САПР.
По характеру использования БНД делятся на индивидуальные (их имеет каждый пользователь) и коллективные (для использования всеми проектировщиками через систему специальных паролей). По срокам хранения информации и размещения ее в различных видах запоминающих устройств БНД бывают оперативные и долговременные.
БНД - это сложная информационная программная система, функционирование которой невозможно реализовать полностью в автоматическом режиме. Управление режимами и контроль за ее состоянием осуществляется человеком (администратором БНД), который составляет внешние и внутреннюю модели данных, управляет размещением информации на физических носителях, поддерживает целостность БНД, вносит изменения. Под внешними моделями данных (ВШМ) понимаются модели пользователей, описывающие реальные данные (например, в виде логической модели типа концептуального описания). Внутренняя модель данных (ВНМ) - это физическое машинно-ориентированное представление данных.
Рассмотрим, как осуществляется взаимодействие БНД с прикладными программами пользователя (ПП) (рис. 6.3).
ПП обращаются с запросами к СУБД, которая формирует обращение к программным средствам того или иного метода доступа к БД. Эти программные средства входят в состав операционной системы (ОС). При обращении к ОС СУБД использует информацию о конкретной ВШМ данных пользователей и внутренней логической модели (схемы) данных ВНМ. Полученные данные сначала поступают из БД в системный буфер (СБ), а затем помещаются в доступную конкретному пользователю рабочую область (РО).
Таким образом, СУБД можно рассматривать как некоторую надстройку к ОС, через которую происходит обращение пользователя к массивам информации.
6.4. Модели данных
СУБД работает с массивами информации, представленными в виде моделей данных. Модели могут быть синтаксические и семантические.
Синтаксические модели имеют вид табличных или графовых моделей. В табличных моделях все данные представляются единообразно, так, что экземпляры каждого типа можно рассматривать как строки некоторой таблицы. В графовых моделях различают собственно данные, имеющие табличное представление и рассматриваемые как вершины графа, и данные-связи, соответствующие дугам графа. Графовые модели бывают иерархические и сетевые.
Семантические модели (символьные, основаны на логических связках) характеризуются наличием средств спецификации, позволяющих связывать данные различных типов путем операций обобщения, агрегации, ассоциации и т.п. Семантические модели обладают значительно более развитыми возможностями в представлении свойств данных. Их появление вслед за синтаксическими отражает тенденции интеллектуализации компьютерных систем и обеспечивает переход от баз данных к базам знаний, которые являются логическим продолжением БД. Базы знаний поддерживают и моделируют некоторые элементы интеллектуальной деятельности человека, и БД являются их компонентами. На основе баз знаний и БД строятся интеллектуальные банки данных, позволяющие решать трудноформализуемые задачи экспертных систем. Особенностью знаний, в отличие от данных, является то, что они всегда обладают возможностью содержательной интерпретации, содержат многочисленные классифицирующие соотношения между единицами знаний, отражающие характер их взаимосвязи, а также ситуативные связи, определяющие ситуативную совместимость отдельных событий или фактов, что позволяет строить процедуры анализа знаний.
Сложные комбинации фактов можно построить с помощью сетевых элементов. Пример представления фактов с помощью семантической сети приведен на рис.6.4. Факты формируются из объектов (атрибутов) и связей между ними (отношений).
Семантические сетевые модели ограничивают представление знаний достаточно жесткой структурой. Более гибкими являются модели представления знаний на основе фреймов (фреймовые модели) - формальных конструкций, содержащих как информационные, так и процедурные элементы, обеспечивающие преобразование информации внутри фрейма и связь его с другими фреймами.
Концепция фреймов широко применяется для построения проблемно-ориентированных систем представления знаний. Для представления знаний в ТС могут использоваться фрейм-соединение и фрейм-закон функционирования.
Фрейм представляется в виде ориентированного графа с помеченными вершинами и дугами. Одна вершина выделена для предикатного (функционального) символа, остальные - для аргументов выделенного символа. Для каждой аргументной вершины задана область допустимых значений D, которая может заполняться в процессе активизации фрейма в соответствии с определенными условиями (вершины-слоты). В качестве заполнителя слота может выступать и другой фрейм.
Фрейм-соединение представлен на рис. 6.5 и предназначен для описания различных типов соединений (механических, гидравлических и др.), встречающихся в ТС. Он отражает стереотипную ситуацию “субъект х соединяет объект y с объектом z способом w”.
Предикатная вершина помечена символом F и именем фрейма “соединить”. Дуги имеют метки отношений: S - субъект; О - объект; К - отношение “посредством чего”. Вершины, обозначенные прямоугольником с меткой D, описывают область допустимых значений соответствующего аргумента или фрейм-соединение, содержащий компоненты, входящие в О и S.
Фрейм-закон функционирования (рис. 6.6) предназначен для описания аналитических законов изменения параметров во времени. Он описывает ситуацию “вычислить значение параметра р в момент времени t с использованием функции f, имеющей аргументы а1,..., аm”. Метки дуг обозначают отношения: vf - вид функции; - время; arg - аргумент функции; res - результат применения функции.
Для реализации моделей представления знаний разработано большое количество языков представления знаний, которые можно разделить на три группы:
1) языки обработки символьной информации, используемые для программирования задач искусственного интеллекта. Характерными представителями этой группы являются LISP, РЕФАЛ, SNOBOL, наиболее распространен LISP;
2) языки, ориентированные на поиск решения и доказательство теорем, которые характеризуются достаточно простыми средствами представления, но сложными методами обработки информации. Поэтому основное внимание в этих языках уделяется эффективности механизмов управления программой. К таким языкам относятся PLANNER, QLISP и др. Наиболее распространен PLANNER, в котором используется язык LISP;
3) языки представления знаний общего назначения, в которых данные представляются в виде многоуровневой фреймовой структуры, а модель ситуации - в виде иерархически организованного множества понятий. Эти языки используют более поздние идеи искусственного интеллекта. Их представителями являются языки KRL и FRL, которые также широко используют расширенные варианты языка LISP.
В последние годы в качестве языка для систем искусственного интеллекта и организации баз знаний широко применяется язык PROLOG, основанный на математической логике.
6.5. Структура информационного взаимодействия в САПР
Процесс проектирования - это представление и преобразование различных видов информации, осуществляемые при информационном взаимодействии между компонентами САПР, а также между проектировщиком и САПР. Рассмотрим структуру информационного взаимодействия в САПР по схеме приведенной на рис. 6.7.
Рабочий процесс в системе начинается с кодирования и ввода исходной информации (задания на проектирование) с пульта проектировщика (ПП). Далее в диалоговом режиме через диалоговый монитор (ДМ) осуществляется решение задач проектирования. Диалоговый монитор осуществляет связь между проектировщиком и ОС САПР через языковый процессор.
Последовательность работы проектировщика с ИВС САПР задается оперативной программой проектирования (ОПП), входящей в комплекс управляющих программ (КУП) ОС ИВС. В функции ОПП входит:
- общение с человеком путем задания ему вопросов и анализа ответов;
- формирование запросов в банк данных;
- формирование исходных данных для рабочих программ из сведений, получаемых от человека, банка данных и из других программ;
- вызов в требуемой последовательности рабочих программ из библиотеки системы;
- формирование структуры данных, описывающих объект проектирования.
Процесс проектирования осуществляется в соответствии с информационной моделью проектирования (ИМП), построенной на основе математического и программного обеспечения (МПО), имеющегося в САПР. ИМП может быть скорректирована проектировщиком при решении конкретных задач проектирования.
ОС постепенно строит на базе ИМП описание проектируемого объекта (ОПО), все более его детализируя по мере потребления и переработки информации от проектировщика и информационно-поисковой системы (ИПС), подсистемы информационного обеспечения (ИО), используя при этом программные комплексы (ПК) из подсистемы математического и программного обеспечения (МПО), основным содержанием которой являются комплексы проектирующих программ (КПП). Если полученные результаты удовлетворяют проектировщика, то они выдаются на средства документирования информации (СДИ) и записываются в информационный фонд (ИФ) через ИПС для хранения и использования при последующем проектировании подобных ТС.