Информационно-вычислительные системы в машиностроении CALS-технологии (Соломенцев, 2003)

•способах представления знаний в электронной форме о реше­ нии задач КТПП в прикладной области]

•архитектуре построения системы КТПП;

•открытости и функциональной завершенности СЛПИР;

•масштабируемости прикладной системы для конечного поль­ зователя.

Основные методы решения задач КТПП сложились задолго до появления средств вычислительной техники и имеют свою специфи­ ку, в которой можно выделить следующие характерные положения.

1.Для решения задач КТПП необходимо использование знаний

иопыта пользователя. В своей работе пользователь оперирует самой разнообразной информацией - множеством признаков для классифи­ кации деталей, графическими изображениями, числовыми данными, правилами, отражающими опыт и интуицию экспертов, алгоритма­ ми, неформальными процедурами и т.д.

2.В сложившейся нормативно-справочной среде (НСС) маши­ ностроения (книги, ГОСТы, ОСТы, стандарты предприятий (СтП) и т.д.) функциональные зависимости между свойствами и объектами проектирования чаще всего представлены в виде таблиц, параметри­ зованных графических образов, алгоритмов решений, номограмм и т.д., но не в аналитической форме. Отсюда большинство решений до­ стигается не в результате расчетов, а путем выбора пользователем из функциональных зависимостей, отвечающих заданным требованиям.

3.В ряде случаев решение задач достижимо при неполных, а иногда и противоречивых сведениях, отсутствие формальной органи­ зации НСС приводит к низкой эффективности поиска необходимых пользователю фактических сведений. Справочная информация, по­ могающая принимать решения, разнородна и извлекается из разнооб­ разных источников.

4.Часть решений задач реализуется по схеме: предположение - выбор ближайшего подходящего решения - поверочный расчет. Воз­ можные решения многовариаптны, критерии для их оценки далеко неоднозначны - пользователь принимает решения в зависимости от своего опыта, знаний и предпочтений.

5.Большой объем конструкторско-технологической документа­ ции представлен в алфавитно-цифровой и графической форме, офор­ мление выходной документации регламентировано стандартами (ЕСКД, ЕСТП, ISO и т.д.).

6.Знания и опыт экспертов-проектировщиков, на основе которых формируется большая часть решений, доступны только в форме выска­ зываний на языке деловой прозы. Это требование предполагает наличие

определенной подготовки пользователя по работе со сложившейся н е с и использование специализированного понятийного аппарата.

Наличие такой специфики определяется накопленным за многие десятилетия практическим опытом проектирования из параметризо­ ванных графических образов с соответствующими правилами приня­ тия решений. За это время сложилась некоторая форма представле­ ния знаний по проектированию объектов машиностроения, которая прошла практическую обкатку специалистами в промышленности.

Квинтэссенция этого опыта нашла свое отражение в отраслевых стандартах и справочниках. В этих материалах в явном виде отсутст­ вуют алгоритмы и нет готовых рецептов решения задач КТПП. В ма­ териалах приведены некоторые правила и рекомендации, касающие­ ся отдельных примеров проектирования, использование которых за­ щищает пользователя от серьезных просчетов. В этих рекомендациях в общем виде регламентирован достигнутый промышленный опыт: на уровне конструкций объектов в целом, на уровне отдельных узлов и деталей. Именно такая иерархическая вложенность позволяет поль­ зователю в полной мере проявить свои творческие способности.

Анализ характерных особенностей решения задач конструктор- ско-тех1юлогической подготовки производства показывает, что созда­ ние промышленно тиражируемых автоматизированных систем КТПП с учетом пожеланий пользователя средствами традиционной техноло­ гии программирования, ориентированной в основном на работу с алго­ ритмами и мтюжествами данных в терминах универсальных языков программирования, практически достигло своего предела.

Важнейшим достижением новой информационной технологии является переход от использования универсальных языков програм­ мирования типа Си, Паскаля и т.д., доказавших свои возможности при решении математических задач, к языкам спецификаций. При этом форма представления знаний в языках спецификаций максима­ льно приближенна к традиционно сложившейся в прикладной облас­ ти. Поэтому запись и решение задач на языках спецификаций уже до­ ступна не только программисту, но и специалисту прикладной облас­ ти, способному работать со средствами вычислительной техники.

3.5.4. Системы автоматизированной поддержки информационных решений

При организации производственных процессов было бы желате­ льно сохранить простоту использования, опыт и навыки конструкто­ ра по работе со справочником. Переход от хранения знаний в пассив­ ном виде (книга) к активному их использованию в компьютерной среде представляет новые возможности для конструктора. В этом случае сведения из справочника доступны конструктору в виде не

252 Глава 3. Опыт применения CALS-технологий

только обычных библиотек с символьными или графическими описа­ ниями, но и интеллектуального помощника, который следит за тем, что и как делает конструктор, дает советы по ходу работы, генериру­ ет параметризованные фрагменты технических решений по исход­ ным данным, при необходимости объясняет принятые решения и т.д. В этом случае конструктор оценивает предлагаемое ПЭВМ решение, при необходимости их редактирует (как символьные значения, так и графические решения) и использует в своей практической деятельно­ сти. Принципиально, что вся эта практическая деятельность пользо­ вателя, выражаясь научным языком, протекает в условиях нехватки информации и многокритериальной оценки альтернатив.

Подход к организации деятельности конструктора в компьютер­ ной среде реализован в рамках методологии создания систем автома­ тизированной поддержки информационных решений (САПИР). Суть этой новации, представляющей собой одно из отличий САПИР от традиционных систем автоматизации проектирования (САПР), со­ стоит в том, что каждый конструктор может самостоятельно опреде­ лить в привычной для него форме «Правила проектирования», сло­ жившиеся в предметной области, и использовать их в повседневной работе. Созданные отдельные «Правила» можно объединять в типо­ вые методики проектирования.

Для удобства пользователей большая часть правил из норматив­ но-справочной информации по проектированию асинхронных элект­ родвигателей в виде расчетов, баз данных и типовых графических ре­ шений предварительно введена в систему. На основе этих сведений разработаны типовые методики для проектирования различных ис­ полнений электродвигателей. Как показывает практика базовый на­ бор правил достаточен для решения большинства задач расчета и конструирования электродвигателей и компьютерной подготовки его производства.

В эти же «Правила» пользователь может самостоятельно вклю­ чать и ноу-хау своего предприятия. А это в свою очередь обеспечива­ ет накопление знаний и защищает интересы предприятия в случае ухода специалиста. В целом это позволяет повысить качество выпол­ нения работ и избежать серьезных ошибок в процессе проектирова­ ния и изготовления.

3.5.5. Особенности построения САПИР

Компьютерная база знаний (КБЗ) САПИР задач КТПП состоит из символьной и графической частей. В состав символьной части КБЗ входит система словарей и справочников прикладной области, табли­ цы с данными и набор информационных блоков, фиксирующих пра­ вила принятия решений. Работа с символьной базой знаний

реализована в рамках компоненты интеллектуальная компьютерная среда ИКС.

Вработе специально для решения задач КТПП был предложен и реализован язык спецификаций, построенный на базе блоков приня­ тия решений. На основе материалов из этой работы под руководством авторского коллектива создается символьная база знаний по реше­ нию задач КТПП.

ВИКС перечисляются множество объектов и их свойства, испо­ льзуемые в прикладной области при решении задач. Словарь являет­ ся единым для всей системы. С помощью словаря организуется обще­ ние пользователей с системой в стиле «деловой прозы» конструктора.

Отдельные правила принятия решений оформляются в виде ин­ формационных блоков, максимально копирующих форму справоч­ ника конструктора и легко заполняемую и редактируемую пользова­ телем с помощью стандартных текстовых редакторов. На основе бло­ ков принятия решений (БПР) средствами ИКС автоматически гене­ рируется программа на универсальном языке программирования Си.

Графическая БЗ содержит набор параметризованных графиче­ ских прототипов чертежей и заготовок к ним. Вместе с ними в состав графической базы знаний входят словарь понятий и таблицы с фак­ тическими значениями параметров для параметризации итоговых чертежей. Взаимодействие символьной и графической баз знаний приведено на рис.3.22., 3.23. Фактические параметры могут быть рассчитаны, выбраны из таблицы с нормативно-справочной средой или установлены в диалоге по требованию пользователя.

Еще раз подчеркнем, что если информация в традиционном спра­ вочнике понятна пользователю, то та же информация, записанная средствами универсального языка программироватшя, становится не­ доступной для понимания большинства сотрудников КБ. Это делает необходимым для пользователя вовлечение в процесс традиционного создания программных приложений посредника в лице программиста.

В программных системах, разработанных в 1970-80 годы, про­ цесс проектирования обычно зафиксирован жестко и оформлен как неделимое целое. Отдельные функциональные модули, входящие в состав таких программных систем, часто не могут быть использованы вне этого контекста при решении других задач. Принципы объект­ но-ориентированного подхода, в основу которого положено понятие объекта и связанных с ним свойств и действий, практически не испо­ льзуется в традиционных системах проектирования. В качестве таких объектов при проектировании может выступать расчет крепежа, вы­ бор свойств материалов и т.д. (здесь следует заметить, что в традици­ онных справочниках такое разделение па объекты достаточно широ­ ко используется).

•МОЧЬ пользователю самостоятельно адаптировать САПИР под свои ли. Эта адаптация может подразумевать различные корректировки автоматизированной системе. Так пополнение таблиц новой норма- впо-справочной информацией практически никак не отражается на [ботоснособности автоматизированной системы и доступно пользотелю в любой момент (эта возможность на рис.3.24. помечена как риант Б.1 при модернизации). Расширение функциональных

зависимостей потребует повторной сборки отдельных вычислитель­ ных моделей (вариант - Б.2). В САПИР предусмотрена возможность подключения ранее созданного пользовательского функционала. Внесение пользователем дополнений в понятийную модель потребует изменений в системе словарей и справочников данных и функциона­ льных зависимостей (вариант - Б.З). Статистика показывает, что на отдельных предприятиях соотношение между этими изменениями ва­ рьируется в следующих пределах: 70% относятся к пополнению дан­ ными, 25% - к расширению или редактированию функциональных возможностей и 5% - к пополнению понятийной модели.

Круг функциональных задач, решаемых конструктором в среде САПИР, приведен на рис.3.25 и включает следующее:

1.Ведение проектов.

2.Управление деятельностью конструктора по реализации типо­ вых решений.

3.Ознакомление с понятийной моделью, включающей словарь понятий, каталог функциональных зависимостей и описание их структуры.

4.Заполнение и редактирование полей в диалоге.

5.Работа с таблицами в диалоге и из программ:

-найти строку, содержимое которой удовлетворяет указанным критериям отбора (ключам отбора);

-найти множество строк, содержимое которых удовлетворяет указатптым ключам;

-сортировать содержимое таблицы по набору ключей;

6.Расчеты поверочные и взамен натурных испытаний.

7.Анализ полученных результатов.

8.Работа с 2D и 3D графическими объектами.

9.Построение из нормализованных деталей по типовому сцена­ рию базовых конструкций.

10.Сохранение результатов между сеансами работы и в элект­ ронном архиве.

И . Получение твердых копий.

Круг задач, решаемых экспертом в среде САПИР, расширен по сравнению с конструктором и включает:

a)расширение и модификацию понятийной модели прикладной области;

b)занесение и редактирование значений в таблицах с норматив­ но-справочной информацией;

c)формирование новых прототипов параметрических графиче­ ских образов для общего применения;

d)разработка, отладка и подключение новых видов расчета.

•существуют необходимые каталоги операций (требуется про­ граммирование сценария проектирования).

Врамках САПИР CASE-технология реализуется средствами ИКС (символьная часть) и T-FLEX CAD (графическая часть). В ка­ честве оболочки для создания программных приложений пользовате­ ля может служить интегрированная интеллектуальная система ИнИС. Освоение этих средств у пользователя, ранее не работавшего

сПЭВМ, занимает от двух до четырех недель; обычно же бывает до­ статочно одной недели.

ВСАПИР принципиальным моментом нужно считать то, что экс­ перт по решению задач КТПП является основным разработчиком мо­ делей объектов. Именно он отбирает типовые реп1ения, формирует словари понятий, специфицирует действия в типовых ситуациях, ре­ ализует графические прототипы чертежей к ним для многократного использования.

Новая архитектура построения САПИР позволила выделить не­ которую инвариантную программную оболочку, которая специализи­ рована на решении задач КТПП (рис.3.26). Программное обеспече­ ние, реализующее оболочку, может достигать до 60% от общего объе­ ма САПИР.

САПИР построена на основе объектно-ориентированной архи­ тектуры, создаваемой с самого начала с четким осознанием неизбеж­ ности постоянного развития потребностей и технического прогресса. «Каркас» ИнИС предназначен для поддержки современных прило­ жений и тех, которые появятся в будущем. ИнИС существует авто­ номно от программных приложений пользователя, но без этой систе­ мы не сможет работать ни одно из них, поскольку в нем заложены основные концепции системной платформы и реализованы базовые возможности, необходимые для любого программного приложения. По сути ИнИС представляет собой общий знаменатель для отдель­ ных модулей САПИР, которые решают свои специфические задачи, а для выполнения стандартных служб последние обращаются к ИнИС (рис.3.27).

Наличие такой повторно используемой оболочки позволяет рез­ ко снизить себестоимость создания прикладной системы КТПП. Так, например, на базе ИнИС построены САПИР электродвигателей, ре­ жущего и мерительного инструмента, пресс-форм, холодной объем­ ной штамповки, листовой штамповки и т.д.

Предложенная архитектура - это набор инструментов и правил, определяющих структуру программного обеспечения и представляю­ щих базовые средства для разработки и развития приложений: управления данными, определение объектов и их реализация.