CC BY
19
- свойства отдельных элементов структуры и структуры в целом;
- функциональные и структурные связи элементов;
- процедуры преобразования структуры и определения параметров (П Ь1, П
- описание ресурсов (временных, информационных и материальных), необходимых для реализации процедуры.
"СПРУТ" позволяет реализовать создание такой модели на основе связанной тексто-графической базы данных, языка высокого уровня и средств накопления знаний.
Особую роль играет методическое обеспечение совмещенного проектирования. Основное требование к методическому обеспечению процесса совмещенного проектирования состоит в установлении логических и функциональных связей между элементами и процедурами преобразования разных фаз (и этапов) подготовки производства.
Так, процесс функционального проектирования может быть представлен как построение функциональной модели объекта и обобщенной модели, или метамодели изделия. В соответствие заданному набору функций должно быть поставлено некоторое множество принципиальных схем (или структур изделия). Такие структуры можно поставить в соответствие известным конструкторским решениям, а полученное информационное образование назвать проектно-конструкторским решением (ПКР) или модулем (ПКМ). Для каждой структуры определяются граничные значения параметров, при выходе за которые данное решение не может быть реализовано. Другими словами, устанавливается взаимосвязь между ПКМ, информационными и материальными ресурсами для их реализации.
В процессе объектного проектирования производится окончательный выбор структуры конкретного объекта и выбор однозначной совокупности конструкторских решений. Это осуществляется, с одной стороны, с учетом взаимосвязи между ними, а с другой - с учетом возможности реализации создаваемой конструкции. В качестве информационной базы для этого целесообразно использовать библиотеку конструкторско-технологи-ческих решений (КТР) или модулей (КТМ), устанавливающих взаимосвязь между конструктор-
ским решением и вариантами технологии для его реализации.
Результат решения - проекция объекта на совокупность КТМ. Создается информационная модель, отображающая конструкцию объекта, на основе которой может быть сформирован рабочий проект (конструкторская документация на изделие, спецификация и т.п.), а также информационная база для формирования альтернативных технологических процессов.
При технологической подготовке на основе полученной совокупности КТМ формируются альтернативные планы обработки деталей и формирования сборочных единиц. Решение задачи может осуществляться с учетом дополнительных условий, предъявляемых к технологии, системой планирования и управления производством.
Задача решается в два этапа:
1) структурный синтез альтернативных технологий на основе КТМ и технологических циклов (ТЦ), их образующих;
2) определение параметров технологических циклов, на основе чего создается детальный операционный технологический процесс и формируются УП для оборудования ЧПУ.
На основании изложенного можно сделать следующие выводы. Рассмотрено информационное представление процесса подготовки производства для фазового и совмещенного проектирования. Проведена интеграция процессов функционального, объектного и процессного проектирования и создание единого информационного пространства на основе единой модели объект-процесс-среда и интегрированной инструментальной среды "СПРУТ". Показана особая роль методической интеграции при организации совмещенного проектирования.
Список литературы
1. Смирнов A.B., Юсупов P.M. Совмещенное проектирование: необходимость, проблемы внедрения, перспективы. -С.-Пб: СПИИРАН, 1992. - 36 с.
2. Савинов А.М. Процедурная модель объекта для специализированной сквозной САПР в единой инструментальной среде. Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. - 1993. -№ 1.
3. Савинов A.M., Ковалевский В.Б. Информационная интеграция конструкторско-технологического проектирования // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. -№3. -1995. - С.24-29.
МУЛЬТИАГЕНТНАЯ МЕТАМОДЕЛЬ ВИРТУАЛЬНОГО ИЗДЕЛИЯ КАК ОСНОВА КООПЕРАТИВНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Г.Б. Евгенев, С.А. Борисов, С.Э. Романцов
Каждое изделие в процессе смены этапов своего жизненного цикла представляется в компью-
терной среде в виде различных информационных моделей [1]. Эти модели имеют иерархическую
соподчиненность в связи с тем, что каждая последующая модель является более детальной или содержит дополнительную информацию. Последующие модели включают в себя полностью или частично предыдущие. Иерархия информационных моделей представлена на рисунке 1.
Изделия служат для удовлетворения определенных общественных или индивидуальных потребностей. Потребность в технической системе представляется в виде [2]:
г = а), а, Н),
где В - указание действия, приводящего к реализации интересующей потребности; С - указание объекта, на который направлено действие; Н -указание особых условий и ограничений, при которых выполняется действие В.
Описание технической функции содержит информацию:
• о потребности, которую должен удовлетворить технический объект (ТО);
• о физической операции (превращении, преобразовании), с помощью которой реализуется потребность
Р = (Р,й),
где Р - потребность в ТО; <2 - физическая операция преобразования входного операнда 0(11 в выходной 0(12
(А- да/ ->0(12.
Физическую операцию (ФО) можно представить в виде [2]:
<2 = (Ас, Е, а) или ц = (Л( а),
где - входной поток, Е - операция превращения в О; О - выходной поток.
ГТг\ТТР^ГГ^1ЛЛ_Т^ ид ПТТРУТЛ/Р 1 ЛТГ\ГГ^ГГТТ
Рис. 1. Иерархия информационных моделей на различных этапах жизненного цикла изделия: ФС — функциональная структура; П - принципиальная схема; ТР - техническое решение; РД — рабочая документация; ТП— технологические процессы; УП — управляющие программы для станков с ЧПУ; ПУ - планирование и управление производст-
ки УП; спецификация изделия, содержащаяся в РД, а также информация о необходимых ресурсах используются для планирования производства.
Между моделями, изображенными на рисунке 1, имеется отношение цель-средство. Потребность в определенной системе (цель) реализуется посредством технического объекта, выполняющего определенные технические функции. Функциональная схема является средством реализации этих функций. Функциональная структура (как цель)
может быть реализована различными принципиальными схемами (как средством). Принципиальные схемы (как цель) могут быть реализованы различными конструктивными схемами. Спроектированное изделие может быть изготовлено с использованием различных технологий.
Отношение цель-средство отражает процесс синтеза, при котором, исходя из поставленной цели разработки системы, можно найти средства, пригодные для ее достижения.
При формировании функциональных и принципиальных схем, выполняемых в процессе концептуального проектирования, геометрическое моделирование не используется. В этой связи традиционные CAD/CAM системы бессильны помочь инженеру на начальных этапах его работы. По этой же причине они бесполезны и для построения технологических процессов, когда требуется логический анализ свойств изделия как физического тела.
Исследование или разработка любой сложной системы должны начинаться с функционального анализа и моделирования системы в целом и всех ее подсистем. Для этой цели разработана методология IDEF0 [3], представляющая собой совокупность методов, правил и процедур, предназначенных для построения функциональной структуры сложных иерархических систем. Методология IDEF0 позволяет повысить производительность труда и уменьшить вероятность появления ошибок при анализе систем.
Основной принцип, заложенный в функциональное моделирование систем, состоит в их пошаговой нисходящей декомпозиции до уровня, необходимого для целей моделирования. Каждый шаг декомпозиции соответствует некоторому уровню абстрактности представления системы.
Язык спецификации функциональной модели - набор графических знаков, помеченных предложениями на естественном языке, и правил их применения. Функциональная модель системы - набор графических диаграмм на языке функционального моделирования (ЯФМ), описывающих систему на одном или нескольких уровнях абстрагирования. На диаграммах функции отображаются в виде блоков, а их связи - в виде стрелок (рис. 2).
Применение методологии IDEF0 для функционального анализа матттиностпоитетгьньтх изпе-
Управление
Вход
Наименование
№
Механизм
V/
г Выход
Рис. 2. Функциональный блок IDEF0
-JJVJ^VJiVI^/1IIVJI VJ-дигхиин^лл. \f J lliVHi'lVJllUJlDllDli'l1
Потребность
D G Я
Сообщение тяги катеру
Физическая операция
At Е а
Рабочее тело "0" на Увеличение скорости Рабочее тело "4" на
входе выходе
блок ГОЕГО на верхней схеме представляет технический процесс, реализуемый движителем. Наименование блока содержит описание потребности из таблицы.
Вход и выход представляют собой описания соответственно входного (М) и выходного (СО потоков физической операции Ц. Механизмом реализации технического процесса является водометный движитель, подлежащий проектированию. Разработка функциональной схемы ТО сводится к декомпозиции методами стандарта ГОЕГО блока нулевого уровня, содержащего функциональную модель ТО как черного ящика (рис. 3).
Функциональная декомпозиция водометного движителя первого уровня представлена на нижней схеме рисунка 3.
Она содержит детализацию технического процесса. В этом процессе подготовительные операции заключаются в заборе рабочего тела и в изменении направления движения, скорости и давления этого тела. Основные операции - это передача механической энергии и соединение с ней рабочего тела. Окончание - трансформация энергии рабочего тела, формирующая реактивную струю и тягу.
Каждая операция имеет свой механизм реализации, представляющий собой узел изделия (см. рис. 3). На каждом уровне функциональной декомпозиции производится поиск механизмов реализации выделенных функций. Этими механизмами могут быть стандартные, унифицированные, покупные детали и узлы, а при отсутствии таковых - оригинальные детали и сборочные единицы, подлежащие проектированию.
Результаты функционального анализа позволяют перейти к решению проблемы структурного синтеза. Для этого необходимо построить И/ИЛИ граф (концептуальный), содержащий все возможные альтернативы построения принципиальных схем изделия. Основу для этого графа составляет дерево механизмов реализации функциональных блоков, полученное в результате декомпозиции по методологии ГОЕГО. Вершинами концептуального И/ИЛИ графа являются объекты, моделирующие элементы конструкции изделия.
Рассмотрим концептуальный И/ИЛИ граф на примере построения системы данных для реду] ров. Фрагмент ГОЕИ диаграммы такой сиск представлен на рисунке 4. Между родовым обт том "Редуктор" и объектами, представляющ] собой разновидности родового объекта, имеет
Управление
Механическая энергия
11
Рабочее тело ( РТ) "О'
о
Î
Сообщение тяги катеру АО
Тяга рТ "4"
M
Редуктор цилиндрический одноступенчатый /R2
Вращающии момент выходной, Нм
Время работы передачи, ч Взаимное расположение входного и выходного валов Вид редуктора
_| I I I I I I I |_
Редуктор волновой ¡Rn
Обозначение редуктора ^
Передаточное число Частота вращения выходная, об/мин Вращающий момент выходной, Нм
Время работы передачи, ч Взаимное расположение входного и выходного валов Вид редуктора Марка материала колеса Термообработка колеса Марка материала шестерни Термообработка шестерни Межосевое расстояние, мм Модуль передачи, мм Число зубьев колеса Число зубьев шестерни Ширина колеса, мм Угол наклона зубьев, град.
Обозначение редуктора
Передаточное число Частота вращения выходная, об/мин Вращающий момент выходной, Нм
Время работы передачи, ч Взаимное расположение входного и выходного валов Вид редуктора
Материал/ ЯЗ Марка материала
Твердость сердцевины НВ Знак твердости поверхности Величина твердости поверхности
ПП
Колесо зубчатое/ R4
Технологический процесс/ R5
Обозначение редуктора Обозначение детали
Наименование детали Марка материала Модуль, мм Число зубьев Угол наклона, град. Направление зуба Термообработка колеса Нормальный исходный контур Коэффициент смещения
Степень точности Делительный диаметр, мм Величина твердости НВ Радиусы скруглений, мм Наружный диаметр, мм Отклонение наружного диаметра, Ширина зубчатого венца, мм Длина ступицы, мм Основное отклонение длины ступицы
Квалитет длины ступицы Шероховатость Яа торца ступицы, мкм Допуск не перпендикулярности торца, мм Диаметр отверстия, мм Основное отклонение отверстия Квалитет отверстия Допуск нецилиндричности отверстия, Шероховатость Яа отверстия Ширина фаски в отверстии, мм
Рис. 4. Пример IDEF1 диагра. зависимым ооъект наследует
Наименование переменной Число оборотов колеса, об/мин Расход жидкости, мл3/сек Напор насоса, м вод, ст.
Обозначение редуктора Обозначение детали
Л
Модуль: М25 Разработчик: Г. Евгенев Наименование: Расчет коэффициента Источник информации: Папир А.И. В - Л.: Судостроение, 1970, С.50, форм.
Имя п
Q
И
Коэффициент быстроходности насоса П5
Модуль: МЗЗ Разработчик: Г. Евгенев Наименование: Назначение типа узла Источник информации: Папир А.И. В - Л.: Судостроение, 1970, С.92.
Наименование переменной Имя
Вид изделия
Коэффициент быстроходности насоса Тип узла соединения энергии с РТ
ТАВ_1
(0, 500)
[500, )
Рис. 7. Модули инженерных
Аналогичная СВЯЗЬ сущеСТВ)1<1КоэФФиЦиент быстроходности насоса данных изделий и соответстр ческими процессами (см. рис Модель данных детали д переменные, необходимые дл; чертежа деталировки, а модель данных технологического процесса - все переменные, которые используются в соответствующих технологических документах.
Модели данных материалов связаны с моде-лями изделий неидентифицирующими отноше-
Водр]
<иденти-фикатор>
<указывающпе атрибугы>
<Шаг 1 метода>
Метод
<Шаг2 метода>
<Шаг N метода>
От агентов -эффекторов или
от оператора
Входные описательные и вспомогательные атрибуты
Выходные описательные и вспомогательн ые атрибуты
Рис. 5. Модель интеллектуального агента
Водометный движитель
мате-атри-
¡сества ющих Свой-: (рис. темой,
;м его значе-р, мо-доще-
кции>
Значение
УСЛОВИЕ (С)
МЕХАНИЗМ (М)
инженерных знании
го реляционного отношения из системы данных. В число свойств объекта включаются его идентификатор, а также указывающие, описывающие и вспомогательные атрибуты. Последние два типа атрибутов делятся по отношению к методу объекта на входные и выходные (рис. 5). Описательные атрибуты определяют свойства, внутренне присущие объекту, а вспомогательные - его структурные связи с экземплярами других.
Интеллектуальным является объект, проведение которого определяет база знаний. Активный объект или агент - это объект, способный изменять свое состояние, используя информацию о состоянии смежных объектов1. Для этого агенты объединяются в структурированную исходную систему, называемую мультиагентной. Носителем модели такой системы являются объекты и их свойства, а сигнатурой - семантическая сеть, используемая операционной средой для передачи информации, активизирующей поведение агентов. В результате этого формируется некоторое множество экземпляров агентов, являющихся целью всего процесса.
Метод объекта представляет собой обобщение понятия функции. В этой связи агент может быть назван объект-функцией. Классическое понятие определяет функцию в самом широком смысле как произвольное правило, относящее каждому значению х из области определения этой функции Dx эрое значение у = /(х) из области изменения шй функции. Символ / обозначает правило эазования, которое в случае конструктивно-эеделения функции представляет собой таб-se значений или правило вычисления значе-помощью известных операций, ункция и переменных у = f(xi, Х2, ..., хп) от-упорядоченному множеству значений независимых переменных Xj, Х2, ..., хп значение зависимой переменной у. При этом аргумент может рассматриваться как вектор X = (хь х2, ..., xj. Тогда у представляет собой скалярную функцию векторного аргумента.
Наконец, упорядоченное множество скалярных функций векторного аргумента определяет вектор-функцию векторного аргумента. Эта функция может быть записана в виде Y = F(X), где Y =
(У1, У2, Ут), а I = (fbf2, ...,/ш)■
В математике изучаются действительные и комплексные функции и переменные. В информатике рассматривается более широкий набор типов переменных, который, в частности, включает перечисляемые символьные переменные, принимающие, например, значения из множества слов. В этой связи можно ввести понятие информаци-
1 Такое определение агента не является общепринятым и весьма поверхностно - Прим.ред.
Сборочные /
единицы j ----
Узлы
Мета систе
Детали
онных векторов У и X, компоненты которых могут иметь различные простые типы данных, например вещественный, целый и перечисляемый. Такой набор достаточен для решения инженерных задач методами искусственного интеллекта.
Функциональные отношения порождающих систем являются обобщенными, так как в них могут использоваться как числовые, так и нечисловые переменные.
Порождающая система в САПР должна обеспечивать решение двуединой задачи - структурного и параметрического синтеза изделий и технологических процессов. Например, при проектировании редуктора порождающая система должна выбрать одну из его разновидностей в зависимости от передаточного числа и взаимного расположения входного и выходного валов. Чтобы спроектировать такую деталь, как ось, нужно получить расчетное значение диаметра оси в зависимости от изгибающего момента и свойств ее мате затем выбрать из таблицы стандартных строку с ближайшим большим по отно1 расчетному значением стандартного диам<
Элементарная порождающая система представляет собой обобщенный функцис блок.
Наиболее удачным и широко распрс ным представлением функциональных бI ляется стандарт ГОЕГО. В этом стандар' циональный блок имеет конструкцию, п ную на рисунке 2.
Теоретическую схему (рис. 2) нео представить в форме, удобной для их опр человеком при вводе знаний в компькл Наиболее простой формой является табли: (рис. 6).
Такая таблица содержит все элемент ционального блока, представленного на р] Наименования параметров должны выбщ словаря системы, как и их имена-идентиф необходимые для написания формул, представляет собой ограничения, наклад на входные и управляющие параметры г ляющие область определения функции, { мой модулем.
На рисунке 7 приведены примеры инженерных знаний, используемые для (] вания методов объектов. Первый модуль дит расчет коэффициента быстроходност водометного движителя при условии, чт( ны положительные значения числа оборо' са, расхода жидкости и напора насоса. Вт дуль обеспечивает элемент структурного с выбор типа узла. Решение задач структ;
параметрического синтеза компьютер пр>_
автоматически с помощью решателя, осуществляющего логический вывод в базе знаний продукционного типа.
Проект
KrV- lA
Eg Ё£ □
i±
деталей \
V Si
Сбороч- А
ные j единицы /
Детали
■-1-
"1
1
1
И
: _ Интеллектуальнь объект (агент) в метасистеме
Рис. 8. Мул
Шаг метода на рисунке 5 может состоять из одного или множества модулей инженерных знаний, объединенных в семантическую сеть.
Высшей ступенью организации знаний являются мультиагентные системы распределенного интеллекта. Они образуются наложением структуры И/ИЛИ графа на мультиагентную систему. На рисунке 8 приведена такая структура применительно к проблематике автоматизированного проектирования изделий (межагентные информационные связи на этом рисунке не показаны).
На рисунке 8, например, агенты А, В я С связаны с подчиненными по иерархии целое-часть агентами связями типа И, а агенты Е, Ь я Б - связями типа ИЛИ. С помощью последних осуществляется синтез вариантов структур изделий, управляемый вспомогательными атрибутами агента-родителя. Параметрический синтез производится мультиагентной системой посредством использования методов агентов и обмена информацией между ними.
Метасистема содержит знания обо всем множестве известных ее авторам вариантов решений. В результате проектирования, началом которого является ввод исходных данных в агент высшего уровня (например А на рис. 8), получаются тексто-графические данные, содержащие проект одного экземпляра изделия, удовлетворяющего требованиям исходных данных.
Принципиальным отличием описываемой новой методологии от старой является то, что если при алгоритмическом подходе процессом управляют команды, использующие данные, то в новой технологии бал правят данные с помощью команд. Это происходит как на микроуровне внутри агентов, что дает основание говорить о распределенном интеллекте, так и на макроуровне - в муль-тиагентном пространстве.
Мультиагентная метасистема представляет собой модель множества изделий, правила проектирования которых известны разработчику. В этом смысле такая модель описывает виртуальное изде-
лие, используемое для получения конкретных экземпляров, удовлетворяющих соответствующим техническим заданиям. Агенты метасистемы могут быть распределены на сети автоматизированных рабочих мест специалистов различного профиля, обеспечивая кооперативное взаимодействие их в процессе совмещенного проектирования.
Поддержку создания и использования мультиагентной метасистемы обеспечивает интегрированная метаинструментальная система "СПРУТ" [4], в состав которой входит полный набор необходимых подсистем, включая реляционную и иерархическую графическую СУБД, подсистемы генерации моделей данных и баз знаний, подсистемы геометрического моделирования на плоскости и в пространстве, подсистему генерации многооконного графического интерфейса, монитор и другие подсистемы. Описанная выше методология автоматизации проектирования в совокупности с упомянутыми инструментальными средствами определяет СПРУТ-технологию [4], которая в течение ряда лет успешно применяется для комплексной автоматизации подготовки производства на предприятиях различного профиля.
Список литературы
1. Евгенев Г.Б. Новые горизонты проектирования - от концептуального до технологического// Компьютер Пресс. -1997. -№6.
2. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. -М.: Машиностроение, 1988.
3. Марка Д.А., Макгоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования. /Пер. с англ. - М.: Метатехнология,
1996.
4. Evgenev G., Kovalevsky V. SPRUT - Integrated Environment for Engineering Knowledge Computer Processing/ Proceedings of International Conference "Information Technology in Design" - EWITD'96. ICSTI, 1996. P. 38-45.
5. Евгенев Е.Б. Как я пришел к СПРУТ-технологии// Компьютер Пресс. -1997. -№3.
6. Евгенев Е.Б., Безбородов В.В. СПРУТ-технология. Компьютеризация инженерных знаний// САПР и Ерафика. -
1997. -№12.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ АРХИТЕКТУРЫ ГЕНЕТИЧЕСКОГО ПОИСКА
В.В. Курейчик
В последнее время появились новые нестандартные архитектуры генетического поиска, позволяющие в большинстве случаев решать проблему предварительной сходимости алгоритмов. Это методы миграции и искусственной селекции [1], метагенетической параметрической оптимизации [2], стохастически-итерацион-ные генетические и поисковые [3], прерывистого равновесия [4], объединения генетического поиска и моделирования отжига [5]. В [1] в отличие от обыкновенных генетических алгоритмов (ГА) выполняется макроэволюция, то есть создается не одна популяция, а некото-
рое их множество. Генетический поиск здесь осуществляется путем объединения родителей из различных популяций. В отличие от [1-5] предлагается модифицированная архитектура генетического поиска с миграцией и искусственной селекцией (рис. 1). Здесь блоки 1-3 представляют собой простой или модифицированный ГА. Отметим, что в каждом блоке выполняется своя искусственная селекция. В первом блоке селекция на основе рулетки, во втором - на основе заданной шкалы, в третьем - элитная селекция. В блок миграции каждый раз отправляется лучший представитель из популяции.
