CC BY
36
УДК 658.512.001.572
АДАПТИВНОЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
В.В. Колуков, Ю.С. Сахаров, В.Н. Кострова
Рассматривается подход к созданию интеллектуальных САПР (ИСАПР) электронных средств (ЭС), заключающийся в разработке модели знаний предметной области, основанной на формировании множества отношений элементов и ее графового представления. Также предложена семантическая модель, позволяющая систематизировать знания об объекте проектирования с выработкой маршрутов проектирования электронных средств. Предлагается подход и его реализация в виде прототипов специализированных экспертных систем (СЭС) для решения задач конструкторского проектирования ЭС в ИСАПР - поиска предварительного варианта конструкции, обеспечения защищенности ЭС от механических и тепловых воздействий и для обучения проектированию. Данный 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
Ключевые слова: интеллектуальные САПР, проектирование, моделирование, электронные средства, экспертные системы
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время для повышения эффективности систем автоматизированного проектирования (САПР) электронных средств (ЭС) актуальным являются вопросы поиска, систематизации, моделирования знаний и, в дальнейшем, построения прототипов интеллектуальных САПР (ИСАПР) для конструирования ЭС.
Первоначально осуществляется формирование модели знаний предметной области.
Все знания о проектировании представляются в виде четырех классов:
- Технического задания - строго определённый набор требований.
-Процесс конструирования - действия, проводимые в ходе проектных работ.
-Объект - конструкция ЭС, результат проектирования.
-Знания - совокупность разнообразных знаний о предметной области.
Далее формируются модели для указанных классов знаний предметной области.
СБОР И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ
Следующим этапом является извлечение полного набора знаний о предметной области, структурирование их в виде иерархических
сущностей со всеми отношениями с последующей визуализацией модели (рис. 1).
Колуков Владимир Васильевич - МТУ-МГУПИ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: vvkolukov@mail.ru Сахаров Юрий Серафимович - МТУ-МГУПИ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: sakharovu@yandex.ru Кострова Вера Николаевна - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: kostrova v@mail.ru
Результат
ш
ИД (неходкие данные) - где а, Ь, г и т.д - элементы ИД необходимые для работы формальных методик.
Исптыутш знания - где 7 . 7 , 7.;,... 7/,... 7к - элементы знаний, отсутствующие в ИД, но необходимые для работы формальных методик.
Р&ультат- где Р,Е,0,С - элементы модельного описания объекта - результата.
Рис. 1. Методика сбора необходимых знаний
Далее проводится систематизация найденных элементов знаний по следующим группам (метапонятия): данные ТЗ, информация о результате, дополнительно использованные знания, знания о процессе поиска решения.
В заключении выполняется группирование элементов знаний внутри метапонятий - построение иерархии знаний и поля знаний предметной области в виде таблиц, диаграмм, графов, рисунков и т.д. Возможно использование технологий визуализации ЕЯЛ, SADT, DFD, UML и т.д. Например, для моделирования ПО по задаче предварительной компоновки конструкции ЭС использована DFD-технология. Далее представлены разработанные модели основных сущностей ПО.
РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ОБЪЕКТА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Для описания технической системы вводится в явном виде указание на основную особенность (или свойство) организации (или действия) ТС - принцип действия. В общем случае их может быть несколько, Р = {р1, р2, ... рК}. Тогда модель ТС будет выглядеть следующим образом
S = {Р, Е, & С},
(1)
где Р - множество принципов, Е - элементы (части) ТС, g - структура (схема), С -множество параметров ТС.
Очевидно, ЭС является частным случаем ТС и оно может представляться указанным выше способом. Рассматривая особенности ЭС, предложено [1] множество отношений R между элементами Е разделить по их природе на электромагнитные RЭм, механические Rм, тепловые Rт и геометрические (пространственные, компоновочные) RК, т.е. R ={ЯоМ, Rм, Rт, Rк}, со своими структурами gэм, Бм, gт, Бк и конституэнтами Сэм, См, Ст, Ск. Тогда ЭС может быть представлено в виде
S = {Р, Е, G, С},
(2)
где S - электронное средство, Р - принципы организации ЭС, Р = {рь р2, ... рк}; Е - элементы ЭС, Е = {е1, е2, ... ет}; G - множество структур, G = {бэм, Бм, Бт, Бк}; С -множество параметров, С = {Сэм, См, СТ, СК}.
Качественное различие отношений R определяет в системе S существование ряда природноразличных подсистем: электромагнитной SЭМ, механической Sм, тепловой Sт, пространственной (геометрической, компоновочной) SК. В общем случае указанные подсистемы взаимодействуют между собой и ЭС можно представить как (рис. 2)
S = Rs},
(3)
где SS - множество подсистем, Ss = {SЭМ, Sт, Sм, SК}; Rs - семейство отношений между подсистемами.
Рис. 2. Модель ЭС, = {¿эм, ¿Г, 5м, 5к, Д?}: ¿эм, 5Т, 5М, 5К - подсистемы, образующие систему 5 - ЭС; - отношения между подсистемами
При графической интерпретации указанных моделей, удается свести необходимые знания о всём разнообразии ЭС к простому модельному представлению в виде графа (рис. 3), который эффективно может быть размещен в базе. Разнообразие вариантов ЭС определяется множеством принципов Р, элементов Е, структур G и параметров С реализаций.
Рис. 3. Модель ЭС в виде графа
Таким образом, используемая 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 ПО 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 {А!} частных задач А1, А2, ... А1, ... Ам, объединенных известным маршрутом М,
п=<{А^,М >. (4)
Однако указанная трактовка процесса п проектирования из-за ряда недостатков (например, отсутствие универсальности) не может быть непосредственно использована при построении ИСАПР. 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 SК, в свою очередь распадающийся на процедуры синтеза принципов РК, состава элементов ЕК, синтез компоновочной схемы БК, синтез параметров СК компоновки;
- синтез механической подсистемы Sм и т.д. Однако введенные модели ЭС и процесса не дают возможности определить последовательность, маршрут М выполнения установленного набора типовых процедур.
Из-за сложности одновременного проектирования подсистем SЭМ, Sт, Sм, SК реально возможно последовательное или последовательно-параллельное проектирование. Далее сделан вывод о том, что последовательность
М выполнения процедур должна определяться условием минимальной неопределенности в информации (исходных данных) для реализации 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 Зид о проектной ситуации с получением собственного рабочего перечня решаемых задач А = {А1} и своего маршрута проектирования М
п = {Зид, {А,}, М}. (5)
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 [3] и, кроме того, получить метазнания для построения ИСАПР.
При разработке прототипа электронной версии ИСАПР предлагается и реализовыва-ется модель знаний эксперта [4] в виде совокупности Ф фактов и правил П продукции типа
"ЕСЛИ факт <ф1>, то факт ^>", (6) как наиболее полно отвечающая условиям задачи моделирования знаний проектировщиков при построении базы знаний экспертной системы.
Особенность реализации общего подхода в данном случае состоит в необходимости учета группирования многих фактов и иерархической структуры порций знаний. Поэтому в качестве фактов выступают иерархические квазифреймовые образования (рис. 4).
Рис. 4. Фрейм «Принципы защиты ЭС от помехи»: Р1 - принципы изоляции; Р1 = {р\, р12, р13}; р11 - отражение; р12 - поглощение; р13 - компенсация; Р2 - принцип повышения устойчивости ЭС; р21 - изменение геометрии ЭС; р22 - выбор материала ЭС; и т. д.
Другой особенностью моделируемых знаний субъекта является необходимость учета степени их неопределенности. В реализуемой версии ИСАПР это достигается введением вероятности W существования фактов Ф и правил П.
Таким образом, учет субъекта проектирования реализован, во-первых, в виде сформулированных экспертом множества фактов-условий УЭ, фактов-ограничений ОЭ, правил ПЭ использования соответствующих порций информации (знаний) 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 эвристические знания опытных разработчиков могут быть использованы при обучении.
Дальнейшие исследования позволяют разработать базы знаний для решения некоторых типовых задач конструкторского проектирования ЭС. Базы содержат блоки знаний «ТЗ», «Результат», «Знания эксперта». Знания о «Результате» содержат информацию о «Принципах», «Элементах», «Схемах» и «Параметрах» конструктивного решения.
Практическая реализация концепции в настоящее время представлена
разработанными прототипами
специализированных экспертных систем (СЭС), которые используются как при решении конструкторских задач, так и в виде сетевых
учебно-методических комплексов для обучения проектированию конструкций ЭС.
Построено несколько прототипов СЭС, с помощью которых решаются задачи поиска предварительного варианта конструкции, обеспечения защищенности ЭС от механических и тепловых воздействий и для обучения проектированию.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложен новый подход к моделированию знаний предметной области проектирования ЭС для построения ИСАПР, основанный на концепции систематического учета знаний опытных разработчиков и формализованного представления знаний предметной области. Предлагаются подход и его реализация в виде прототипов специализированных экспертных систем (СЭС) для решения некоторых задач конструкторского проектирования ЭС в ИСАПР.
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.
Литература
1. Колуков, В. В. Об оптимальном техническом проектировании МЭА на основе базовых конструкций [Текст] / В.В. Колуков // Труды МЭИ. - 1980. - Вып. 498. С. 46-52.
2. Колуков, В. В. Конструкторское проектирование РЭС в интеллектуальной САПР [Текст] / В.В. Колуков // Журнал ВНИИМИ. 1997. Вып. 1-2. С. 12-16.
3. Колуков, В. В. Проектирование электронных систем на основе синтеза и принятия решений [Текст] / В.В. Колуков // Электромагнитные волны и электронные системы. -2006. № 8. с 45-48.
4. Колуков, В.В. Формализация разнородной информации в САПР [Текст] / В.В. Колуков, Ю.С. Сахаров, А.В. Муратов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. Т. 10. - №2. С.28-31.
Московский технологический университет - Московский государственный университет приборостроения и информатики
Воронежский государственный технический университет
ADAPTIVE INTELLIGENT DESIGN ELECTRONIC MEANS
V.V. Kolukov, Candidate of Technical Sciences, Assistant professor, Moscow Technological Institute - Moscow State University of Instrument Engineering and Computer Science, Moscow, Russian Federation, e-mail: vvkolukov@mail.ru Yu.S. Sakharov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Moscow Technological Institute - Moscow State University of Instrument Engineering and Computer Science, Moscow, Russian Federation, e-mail: sakharovu@yandex.ru
60
V.N. Kostrova, Doctor of Technical Sciences, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: kostrova v@mail.ru
The approach to the creation of intelligent CAD (ISAPR) electronic means (ES), is to develop a model of the domain knowledge, based on the formation of a plurality of elements of the relationship and its graph representation. Also offered a semantic model that allows to systematize the knowledge of the object of design with the development of routes designing electronic means. The approach and its implementation in the form of prototypes of specialized expert systems (SES) to solve problems in construction engineering ES ISAPR - preliminary design options Search, providing ES protection against mechanical and thermal influences and learning design. This approach allows you to combine and organize well-known and to identify new knowledge, both in the individual components of the subject area, and the whole design methodology, to improve the efficiency of the design process and training design, and ultimately, improve the quality of the ES and reduce the cost of the design
Key words: Intelligent CAD, design, modeling, electronic means, expert systems
References
1. Kolukov V.V. Ob optimalnom texnicheskom proektirovanii MEA na osnove bazovix konstrukcii [On optimal technical design of MEA based on the basic structures] // Proceedings of the MEI. - 1980. - Vol. 498. pp 46-52.
2. Kolukov V.V. Konstruktorskoe proektirovanie RES v intellektualnoi SAPR [Design Design RES intellectual CAD] // Journal VNIIMI. 1997. Vol. 1-2. S. 12-16.
3. Kolukov V.V. Proektirovanie elektronnix sistem na osnove sinteza i prinyatiya reshenii [Designing electronic systems on the basis of synthesis and decision making] // Electromagnetic-magneticwaves and electronic systems. -2006. 8. number from 45-48.
4. Kolukov V.V., Sakharov Y.S., Muratov A.V. Formalizaciya raznorodnoi informacii v SAPR [The formalization of heterogeneous-term information in the CAD] // Bulletin of Voronezh State. tehn. Univ. - 2014. T. 10. - №2. S.28-31.
