CC BY
46
ЛИТЕРАТУРА
1. Емельянов В.В., Попов Э.В. Интеллектуальное нмитацнонное моделирование в реинжиниринге бизнес-процессов. // Программные продукты и системы. -1998. - Вып.3. - С. 310.
2. Ойхман Е.Г., Попов Э.В. Реинжиниринг бизнеса. - М.: Финансы и статистика, 1997. -336с.
3. . . - . //
искусственного интеллекта. - 1996. - Вып.4. - С. 5-40.
4. Тарасов В.Б. Предприятия XXI века: проблемы проектирования и управления // Автоматизация проектирования. - 1998. - Вып.4. -С. 45-53.
5. . ., . ., . -
// . - 1998. - .1. - . 49-60.
УДК 681.3:002.63.001.57
В.М. Курейчик, Л.А. Зинченко, М.В. Тарасенко*
ПРИМЕНЕНИЕ СИМВОЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ЗАДАЧАХ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Поиски путей интеллектуализации САПР электронной аппаратуры [1] приводят к необходимости использования символьных методов схемотехнического моделирования. Это объясняется тем, что инженер - разработчик владеет как числен, -
.
схемотехнического моделирования в основном было сконцентрировано на использовании численных методов. Их существенным недостатком является возможность получить решение только в численном виде при задании конкретных параметров схемы и внешнего воздействия, что позволяет решить только задачу анализа характеристик конкретной схемы. Полученная модель оказывается неприменимой при изменении одного из параметров, что приводит к необходимости многократного расчета характеристик схемы при различных параметрах. При проектировании необходимо установить соотношения между параметрами схемы и заданными
.
эксплуатационными характеристиками и необходимыми параметрами и топологией электронного устройства разработчик вынужден выполнять большое количество итерационных расчетов различных вариантов решения, что приводит к значительным материальным и временным затратам и снижает конкурентоспособность разрабатываемого изделия.
Наиболее эффективным способом решения этой задачи в настоящее время является аналитическое моделирования. Определение модели при переменных параметрах схемы и внешнего воздействия позволяет установить влияние параметров схемы на ее эксплуатационные характеристики. Нахождение этих соотношений в аналитическом виде позволяет решить задачу синтеза принципиальных и функциональных схем радиоэлектронных устройств с заданными свойствами.
*
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект №99-01-00050)
В связи с трудоемкостью определения символьной модели возникает проблема алгоритмизации процесса определения моделей в аналитическом виде и использования для решения этой задачи информационных технологий. Отдельные попытки формализации использования символьных методов моделирования наталкивались на ограниченные возможности вычислительной техники и значительную громоздкость получаемых моделей и оказывались неприменимыми для практики. Для устранения этих проблем в САПР с искусственным интеллектом более оптимальным является использование баз знаний, содержащие численно -анадитические методы схемотехнического моделирования, сочетающие в себе преимущества численных и аналитических методов. Программы этого поколения только начинают появляться на рынке программных средств.
В качестве технологической базы для выполнения символьного моделирования могут быть использованы системы аналитических преобразований, известных также в литературе как системы компьютерной алгебры [2]. При этом возможно использование как универсальных систем компьютерной алгебры, так и разработка специализированных пакетов для схемотехнического проектирования.
Системы компьютерной алгебры в настоящее время являются первыми доступными примерами искусственного интеллекта. Главной проблемой при их применении в схемотехническом проектировании является достижение взаимопонимания между человеком и данным воплощением искусственного интеллекта. На современном этапе развития техники именно разработчик максимально точно должен определять правила работы для машины, используя ее реальные возмож-
, . не может соперничать с машиной при символьном моделировании электронных схем в связи с большой трудоемкостью проведения математических выкладок .
Существующие пакеты моделирования линейных электрических цепей, написанные на языках REDUCE, MATHEMATICA [2] отличаются использованием не.
описание используется затем для построения матрицы инциденций, разбиения схемы на независимые контуры, выбора контурных токов в качестве независимых переменных, вычисления гибридных параметров через определители. Эти алгоритмы требует значительных вычислительных затрат при определении дерева графа и вычислении определителей.
В данной работе рассматриваются особенности реализации численно - аналитического моделирования электронной аппаратуры в режиме малого сигнала при использовании символьных информационных технологий.
Во все программы компьютерной алгебры заложена определенная система математических и логических правил. Поэтому при решении задач автоматизации схемотехнического проектирования необходимо придерживаться заложенных в . , -бые представления данных, специальные алгоритмы их обработки и, соответственно, достаточно своеобразная логика, навязанная компьютером.
Для обеспечения эффективного взаимодействия человека и искусственного интеллекта при решении задач схемотехнического моделирования необходимо обеспечение визуального ввода и редактирования принципиальной схемы иссле-. -туры данных для разделения различных типов элементов между собой. Для обра-
ботки введенной визуальной информации использованы генетические алгоритмы трассировки для нахождения кратчайшего пути между двумя точками [1]. Проведенный анализ возможностей различных методов формирования уравнений, известных в литературе [3], позволил определить, что наименьшей трудоемкостью для решения поставленной задачи обладает модифицированный узловой метод. Он и был использован в качестве базового алгоритма при формировании модели. Непосредственно в процессе ввода схемы происходит формирование таблицы, содержащей в себе идентификаторы элементов и номера узлов, между которыми они соединены. На основании этой таблицы и строятся искомая модель.
В связи с тем, что при моделировании линейных схем в режиме малого сигнала [4], в качестве входного воздействия может быть выбрано напряжение или , -са как входы по току или напряжению. В результате исходная схема должна быть преобразовано либо к виду (рис.1, а) или либо к виду (рис. 1, б).
На основе введенной визуальной информации после проверки корректности
б
Рис. 1
введенной схемы формируется система уравнений. На ее основе могут быть определены любые требуемые гибридные параметры при указании внешних полюсов .
На основе изложенных алгоритмов разработана программа Electro Vision [5]. Она реализована на языке Borland C++ с использованием в качестве технологической поддержки системы компьютерной алгебры MAPLE. Для обеспечения конкуренции пакета с существующими схемотехническими САПР был разработан удобный визуальный интерфейс (рис. 2). При запуске приложения на экране появляется главное окно программы. Оно объявлено как окно типа MDI (Multiple Dialog Interface), что позволяет пользователю работать более чем с одной схемой одно.
, .
При помощи кнопок, расположенных на главной инструментальной панели , , . открытии схемы из файла появляется диалоговое окно “Открытие файла”, которое, помимо прочих своих возможностей, позволяет указать, какой именно тип файлов необходимо отображать при просмотре папок. По умолчанию этот параметр установлен в “Electro Vision files *.evc”. Открытие схемы из файла или создание новой схемы может быть также выполнено при помощи соответствующих пунктов меню “Файл”.
Набранная схема может быть сохранена на диске, при помощи кнопок главной панели управления. В случае если записываемая схема является новой, пользователю предоставляется возможность ввести имя набранной схемы, и путь, по которому она должна располагаться. При работе со схемой, которая уже имеется на диске, этот вопрос задаваться не будет. Также как и открытие схемы, данную операцию можно провести при помощи меню “Файл”. Для ситуации, когда требуется
сохранить схему, копия которой уже существует на диске, под новым именем, существует пункт меню “Файл”/”Сохранить как...”, в случае активации которого,
,
и путь к файлу.
При помощи пунктов меню “Окна” пользователь имеет возможность расположить открытые окна вертикально, горизонтально, уложить их каскадом или упо-.
Для ввода элементов схемы служат три инструментальные панели, расположенные в левой части главного окна программы, включающие в себя блок пассивных элементов, блок элементов электронных схем и блок источников питания. Переключение режимов работы осуществляется при помощи кнопок, расположенных в правой части главной панели управления. Для установки элемента необходимо активизировать соответствующую панель и с ее помощью манипулятором мышь установить требуемый элемент. Уже установленный элемент может быть перемещен в любое другое место редактируемой области и соединен с другими элемента. , , -нести элемент за пределы редактируемой области, то этот элемент будет возвращен на место. В случае, если главное окно не имеет ни одного открытого дочерне, , -сти манипулировать с инструментами установки элементов. Панели элементов при этом скрываются, а кнопки, служащие для переключения между ними, отключают.
, - -
, ,
этот элемент одинарным нажатием на него левой кнопкой манипулятора мышь. Элемент при этом выделяется красным цветом. В случае, если в схеме отсутствуют выделенные элементы, кнопки и соответствующие пункты главного меню, служащие для выполнения специальных операций над элементами, являются недоступными для пользователя.
В доступном из главного меню диалоговом окне “Расчет / Опции”, пользователь может указать вид воздействия, которое должно быть использовано при анализе схемы - единичное воздействие от источника тока или единичное воздействие от источника напряжения. По умолчанию используется единичное воздействие от . -дексов редактируемых элементов.
По введенной схеме после выполнения проверки корректности схемы, может быть составлена система уравнений в символьном виде. Для ее составления необходимо нажать кнопку главной инструментальной панели с изображением символа запуска магнитной ленты, либо воспользоваться пунктом меню “Рас”/” ”. , -рый проверит схему на наличие ошибок. В частности для схемы не могут быть составлены уравнения, если она, например, не содержит ни единого элемента, если в ней не указанны входные и выходные узлы, если в схеме присутствуют элементы с несоединенными полюсами или если в ней присутствует более чем один узел с ну. , то далее будет запущен программный модуль формирования уравнений, который, основываясь на введенной пользователем схеме, сформирует систему уравнений. Для просмотра сформированной системы уравнений используется объект
ТШсШ^, который располагается в том же дочернем окне, что и анализируемая ( .2). , , редактирования при помощи сплиттера. Если в момент поступления заявки на формирование и просмотр уравнений, область просмотра была полностью скрыта, то она плавно “вымывает” с правой части экрана, потесняя при этом часть окна, предназначенную для редактирования. Пользователю предоставлена возможность при помощи сплиттера менять размеры редактируемой области и области просмотра уравнений. Для того, чтобы вновь полностью скрыть область просмотра, пользователь может вызвать всплывающее меню, щелкнув над ней правой кнопкой мыши, и выбрав пункт “Скрыть”, либо дважды щелкнуть мышкой по сплиттеру.
ГТпП
Ч^айл Правка ^асчэт Окна ?
и & ы т * 0 l а т ► Н>-
ГЛпГП
5-KVR2)]
Рис. 2
, , -телю предоставляется возможность преобразовать полученный результат к виду,
MAPLE.
операция может быть выполнена либо через пункт ”Electro Vision <-> Maple V” всплывающего меню области просмотра уравнений, либо при помощи пункта меню “Вычисления”/” Electro Vision <-> Maple V ” главного окна программы. К по, MAPLE,
.
Основные части интерфейса снабжены системой интерактивной контекстной помощи. Предоставляемая информация выводится либо в строку состояния, располагающуюся в нижней части экрана, либо рядом с курсором манипулятора мышь.
Программа обладает рядом достоинств, к числу которых можно отнести: обеспечение эффективного взаимодействия с пользователем, отсутствие повышенных требований к персоналу, возможность несложной реорганизации программы с целью ее дальнейшего расширения. Программа может быть использована как само, -.
•!, > Elecbo Vition
В ходе выполнения работы были произведены экспериментальные исследования по оценке трудоемкости выполнения задачи аналитического моделирования электронных схем при использовании разработанного программного продукта.
При оценке трудоемкости вычислений, производимых при расчете схем, использовалась система со следующими аппаратными и программными характеристиками:
♦ Процессор AMD 5x86wb-P75 (197 MIPS, 40 MFLOPS);
♦ Оперативная память 16/12Mb (70 ns);
♦ Тактовая частота процессора 160/80MHz;
♦ Операционная система Windows 95 (Version 4.00.1111).
В качестве варьируемых параметров использовались объем оперативной памяти и тактовая частота процессора
На графиках предоставлены результаты тестирования, отражающие зависимость
Electro
Vision и количеством узлов n введенной схемы фис. 3 - при объеме оперативной памяти 16 Mb, рис. 4 - соответственно 12 Mb).
Рис. 3 Рис. 4.
Так как для формирования системы уравнений пакетом Electro Vision, используется программная реализация модифицированного узлового метода, основанного на переборе , , , -нален количеству присутствующих в ней узлов.
Решение сформированной системы уравнений выполняется пакетом символьных Maple.
Maple . 5 - -
еме оперативной памяти 16 Mb, на рис. 6 - соответственно 12 Mb.
Учитывая особенности метода формирования уравнений, можно предположить, что при увеличении размерности схемы будет происходить линейное увеличение времени, требующегося для ее анализа, что и подтверждается приведенными графиками. Из графи, -
, Electro Vision. ,
Maple, -
.
Изменение количества оперативной памяти практически никак не сказывается на времени вычислений, производимых программой Electro Vision, так как блок формирова-
. Maple -
тичен к объемам оперативной памяти. При ее уменьшении с 16Mb до 12 Mb, при модели, 20 ,
1,4 раза больше времени.
Рис. 5
Рис. 6
Кроме того, из графиков видно, что изменение тактовой частоты процессора приводит к замедлению времени работы обоих пакетов, при этом тактовая частота меняет свое значение в два раза, а изменение скорости вычислений варьирует в пакете Electro Vision в
1,5 - 2 раза, а в пакете Maple в 1,6 - 3,2 раз.
Как видно из графиков, операция формирования системы уравнений и ее решения в худшем случае занимает не более чем 1,5 минуты, при этом решение составляет 80% вре-.
Для их уменьшен™ при моделировании схем большой размерности оптимальным представляется использование релаксационных алгоритмов моделирования электронных .
При оценке зависимости времени моделирования от размерности схемы n и уровней вложенности L при равномерном разбиении на уровни вложенности получены следующие графические зависимости фис. 7).
Анализ представленных графиков позволяет сделать вывод, что особенно оптимальность релаксационных алгоритмов проявляется для схем большой , -ных затрат достигает нескольких раз.
Для схем большой размерности достигаемый выигрыш по временным затратам оценивается выражением при равномерном разбиении на уровни вложенности
L -1)
- 0(1/Le L ),
где в - константа, зависящая от выбора .
При неравномерном разбиении исходной модели на L уровней вложенности размерности соответственно m1 m2 п^ оценка уменьшения вычислительных затрат выполняется по выражению
Рис. 7. Влияние уровней вложенности
Ъ
к =1
ршк
).
Временные затраты при моделировании схемы, описываемой системой из 14 уравнений, составили 7. 8 сек. При использовании двухуровневого алгоритма вложенности при неравномерном разбиении модели на две подсхемы, описываемые системами уравнений из 5 и 9 уравнений соответственно, время моделирования уменьшилось до 4.4 сек, что 1, 7 .
Обобщая вышеизложенное, можно сделать следующие выводы:
1) использование искусственного интеллекта в схемотехническом моделировании позволяет определять модели исследуемых устройств на основе символьных информационных технологий;
2) уменьшение вычислительных затрат, связанных с экпоненциальностью алгоритмов компьютерной алгебры, возможно при использовании релаксационных алгоритмов моделирования электронных схем.
ЛИТЕРАТУРА
1. КурейчикВ.М. Генетические алгоритмы. - Таганрог: изд-во ТРТУ, 1999. - 320 с.
2. Бухбергер Б. и др., Компьютерная алгебра. - М.: Мир. 1986. - 392с.
3. Влах И., Сингхал К., Машинные методы анализа и проектирования электронных схем., - М.: Радио и связь, 1988, - 560с.
4. . ., . .
цепей в режиме малого сигнала. - Таганрог: изд-во ТРТУ, 1999. - 10%.
5. . ., . . ,
. 990296 . - 20 .
УДК 681.324
В.Ф. Гузик, М.Н. Десятерик БИОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД АУТЕНТИФИКАЦИИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ
.
учреждениях, финансовых структурах и военно-^омышленном комплексе, а также быстрое развитие информационных систем общего пользования вызвало необходимость разработки средств защиты от несанкционированного доступа к информации и аутенти-
.
Существующие способы аутентификации пользователя делятся на четыре основных направления:
♦ аутентификация по паролю;
♦ аутентификация с применением специализированных устройств ^шай-саг^ ЮисЬ-шешогу и т.д.);
♦ аутентификация по биометрическим характеристикам (анализ отпечатка пальца, сетчатки глаза, почерка, голоса и т.д.);
♦ комплексные системы аутентификации;
Применение способа аутентификации с помощью специализированных устройств, как и способа парольной аутентификации, обладает тем недостатком, что требует от пользователя постоянного владения каким-либо “ключом”, что не исключает возможность его хищения или дублирования. Способы аутентификации по биометрическим характеристикам человека обладают очень высокой степенью , , -
