CC BY
20
УДК 004.4'22
С.А. КОРОТКИЙ, Л.М. БОГДАНОВА, В.В. ПОНОМАРЕНКО
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ПРОГРАММНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАБОЧЕГО МЕСТА ТЕХНОЛОГА
Предлагается четырехкомпонентная архитектура интегрированной системы автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства. Особое внимание уделено вопросу организации экспертной системы как базового компонента программного комплекса. Предлагается иерархическая модель представления знаний в предметной области.
Перед промышленными предприятиями, осуществляющими свою деятельность в условиях конкуренции, остро стоят проблемы повышения управляемости производства и сокращения сроков выпуска изделий, т.е. ускорения конструкторской и технологической подготовки производства и непосредственно их изготовления. Эти проблемы решаются путем внедрения интегрированных систем автоматизированной конструкторско-технологической подготовки производства [1].
В силу того, что значительная часть структурных элементов существующих систем автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства создавалась как самостоятельные программные продукты, их интеграция между собой в единую среду требует значительных, а следовательно, длительных и дорогостоящих доработок [2]. Кроме того, при их разработке, как правило, используется алгоритмический подход, что не позволяет обеспечить качественную интеграцию и расширять возможности системы без значительных переработок структуры всего интегрированного программного комплекса. Поэтому на большинстве предприятий реализована лишь частичная автоматизация отдельных элементов проектирования.
Как отмечается в [1], необходимым условием успешной интеграции систем автоматизированного проектирования (CAD), технологической подготовки производства (АСТПП) и изготовления изделия (CAM) является создание единого информационного пространства и единой модели объекта проектирования, проходящей по всем стадиям подготовки производства. Решить эту задачу возможно с использованием объектно-ориентированного подхода к проектированию программных систем [3-5].
Целью данного исследования является разработка структуры интегрированной программной системы автоматизированного рабочего места технолога на основе объектно-ориентированного подхода.
Как отмечалось ранее, одним из ключевых моментов автоматизации является не просто перенос функций по выполнению проектных процедур с человека на ЭВМ, а формирование общей информационной модели изделия. Исходя из этого, при проектировании структуры интегрированной системы конструкторско-технологической подготовки производства следует особое внимание обратить на то, чтобы были охвачены все этапы жизненного цикла изделия, предшествующие непосредственно его изготовлению. Поэтому использована четырехкомпонентная архитектура (рисунок), включающая:
- CAD-CAE-систему, решающую задачи конструирования изделия, расчетов ее нагруженных элементов, подготовку и оформление конструкторской документации (SolidWorks, T-Flex, Autodesk Inventor и др.);
- модуль обработки геометрической информации, работающий непосредственно с ядром выбранной CAD-системы путем использования ее API и реализующий анализ геометрии изделия, выделение образующих деталь поверхностей, определение их параметров (размеры, шероховатость и т.д.), т.е. накопление исходной технологической информации об изделии;
- экспертную систему, основной задачей которой является аккумулирование знаний специалистов в конкретных предметных областях и принятие на их основе проектных решений при технологической подготовке производства;
- оболочку интегрированной среды, реализующую системные функции управления проектом, интерфейс пользователя и обеспечивающую согласование функционирования всех структурных элементов программной системы.
Перечисленные компоненты системы должны взаимодействовать между собой через соответствующие интерфейсы (см. рисунок), что делает возможным расширение их функциональности без значительной переработки структуры всего программного комплекса в целом.
Реальная автоматизация деятельности достигается при использовании интеллектуальной системы, позволяющей накапливать знания высококвалифицированного специалиста-технолога, а также изменять свою структуру в зависимости от круга решаемых задач. Известны такие методы представления знаний, как семантические сети, фреймы, формальные логические модели, продукционные модели [6, 7].
Проблема поиска решения в базе знаний типа семантической сети сводится к задаче поиска фрагмента сети, соответствующего некоторой подсети, отражающей поставленный запрос к базе. Основным преимуществом такой модели является то, что она наиболее точно имитирует организацию долговременной памяти человека. К недостаткам модели можно отнести сложность организации процедуры поиска вывода на сети.
Фреймы, как и семантическая сеть, имеют психологическое обоснование. Основным преимуществом этой модели является ее гибкость, наглядность, способность отражать концептуальную основу организации памяти человека.
iESInterface
Структура интегрированной системы автоматизации конструкторско-технологической подготовки
производства
Часто при построении экспертных систем используют формальные логические модели, основанные на классическом исчислении предикатов 1-го порядка, т.е. предметная область или задача представляется набором аксиом. Однако эта модель предъявляет высокие требования и ограничения при формализации знаний из предметной области, что является ее недостатком.
Продукционная модель чаще всего применяется в промышленных экспертных системах и позволяет представить знания в виде условных предложений (решающих правил) типа «Если (условие), то (действие)», что близко к естественному языку. По указанному условию осуществляется поиск в базе знаний, а при успешном исходе поиска выполняются определенные действия. Продукционная модель наглядна, обладает высокой модульностью, легкостью внесения изменений, простотой механизма логического вывода. Как правило, машина логического вывода в экспертной системе продукционного типа, которая осуществляет поиск требуемых в данный момент решающих правил, базируется на переборе всего содержащегося в базе знаний множества правил, что в ряде случаев ведет к
значительным временным затратам при генерации решений в экспертной системе и снижению эффективности функционирования всего программного комплекса.
Поэтому в целях повышения эффективности функционирования машины логического вывода экспертной системы продукционного типа можно предложить иерархическую модель организации решающих правил. Для этого необходимо выделить в предметной области уровни абстракции в представлениях о рассматриваемой проблеме и сгруппировать решающие правила согласно выделенным уровням. Таким образом, поиск решения в базе знаний сводится к выделению требуемого решающего правила на каждом из иерархических уровней. При выделении одного из правил на текущем уровне остальные правила и связанные с ними на более низких иерархических уровнях автоматически исключаются из дальнейшего рассмотрения. Такой подход значительно сокращает количество рассматриваемых правил, что повышает эффективность работы системы.
Для реализации предложенного подхода удобно использовать хеш-таблицу, которая представляет собой совокупность связанных списков. При этом ее элементами являются таблицы базы данных, состоящие из двух или более полей: первое поле содержит в себе значения входных данных (условие), второе представляет собой ссылку на другую таблицу, соответствующую заданным параметрам, третье поле (необязательное) хранит в себе значение параметров, участвующих в вычислениях.
Обобщенный алгоритм формирования иерархической модели организации решающих правил можно представить следующим образом:
- определение имени (ссылки) создаваемой таблицы;
- контроль уникальности имени таблицы;
- определение структуры таблицы (количество столбцов). Если столбцов больше двух, таблица воспринимается как решающая, а со значениями в столбцах, начиная с третьего, ассоциируются переменные, участвующие в дальнейшем расчете (например, при вычислении формул);
- связывание новой таблицы с имеющейся иерархической структурой. При этом определяется, какая из существующих таблиц и при каких условиях должна ссылаться на созданную, и осуществляется заполнение соответствующих полей связываемых таблиц.
Изложенные выше принципы были положены в основу реализации автоматизированного рабочего места технолога машиностроительного предприятия. Разработанное программное обеспечение позволяет:
- создавать и сопровождать базу знаний продукционного типа с иерархической организацией решающих правил;
- получать первичную технологическую информацию о детали (геометрические характеристики, свойства материала, параметры поверхности и т.д.) путем анализа ее модели, выполненной с использованием CAD-системы SolidWorks;
- создавать технологический процесс изготовления детали на основе техпроцесса-аналога;
- осуществлять расчет режимов резания, норм времен и других параметров технологического процесса;
- формировать выходную документацию (маршрутные, операционные карты и т.д.).
База знаний предназначена для хранения экспертных знаний о предметной области,
используемых при решении задач экспертной системой, и состоит из базы данных и машины логического вывода, которая жестко не привязана к определенному кругу решаемых задач. Уже в процессе эксплуатации системы пользователь имеет возможность ориентировать ее на ту или иную задачу путем изменения структуры иерархической модели представления решающих правил, модифицируя связи между хеш-таблицами на разных иерархических уровнях. Это дает возможность гибко расширять знания о предметной области без существенных модификаций в общей структуре базы знаний (например, при необходимости включения в экспертную систему еще одной технологической задачи достаточно на верхнем иерархическом уровне сгенерировать ссылку на дерево логических правил, позволяющих ее решить).
Кроме того, отличительной особенностью разработанной системы является то, что на вход экспертной системы поступает вся имеющаяся информация о технологической ситу-
ации в виде XML-файла без описания алгоритма решения поставленной задачи. Сценарий решения задачи и стратегия обработки XML-файла для извлечения из него требуемой в данный момент информации автоматически формируется непосредственно при работе машины логического вывода.
Выводы
1. Из анализа опыта эксплуатации систем автоматизированной конструкторско-техноло-гической подготовки производства следует, что во многих случаях интеграция отдельных структурных элементов в единую систему приводит к значительным трудностям вследствие их плохой совместимости.
2. На основе объектно-ориентированного подхода предложена четырехкомпонентная архитектура интегрированной системы конструкторско-технологической подготовки производства, обеспечивающая расширение функциональности системы без преобразования внутренней структуры программного комплекса.
3. Известные машины логического вывода в экспертных системах продукционного типа являются не вполне эффективными вследствие необходимости перебора решающих правил при поиске решения.
4. Предложена иерархическая модель организации решающих правил, что позволяет повысить эффективность функционирования машины логического вывода за счет значительного сокращения количества рассматриваемых решающих правил на каждом из иерархических уровней. В качестве реализации такой модели удобно использовать хеш-таблицы. Такая организация экспертной системы делает ее структуру независимой от конкретных знаний, занесенных в систему, и позволяет расширять круг решаемых задач, не преобразовывая существующую структуру, а лишь добавляя ссылку на новое дерево решающих правил.
5. На основе объектно-ориентированного подхода выполнено проектирование и программная реализация автоматизированного рабочего места технолога. Разработанная система обладает наглядностью, высокой модульностью, легкостью внесения дополнений и изменений и простотой механизма логического вывода. Разработанное программное обеспечение может быть использовано на машиностроительных предприятиях и в учебном процессе.
Список литературы: 1. Кузьмин Б., Лебедев С., Тагиев Д. Система проектирования технологических процессов компании «СПРУТ-Технология» как основа интегрированной АСТПП // САПР и графика. 1999. №10. С. 50-54. 2. Гопдовский П., Боткин Ю. Интегрированная САПР технической подготовки производства // САПР и графика. 2004. №2 9. С. 27-30. 3. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения. К., М.: Диалектика, Конкорд, 1992. 519 с. 4. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. - М.: Бином, Невский диалект, 1999. 560 с. 5. Ларман К. Применение иМЬ и шаблонов проектирования. М.: Вильямс, 2002. 624 с. 6. Четвериков В.Н., РевунковГ.И., Самохвалов Э.Н.. Базы и банки данных. М.: Высш. шк., 1987. 248 с. 7. Гаврилова Т.А.,ХорошевскийВ.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. СПб.: Питер, 2001. 384 с.
Поступила в редколлегию 23.07.2007
Короткий Сергей Александрович, старший преподаватель кафедры компьютерных информационных технологий ДГМА, Краматорск. Научные интересы: системный анализ и моделирование систем. Адрес: Украина, Славянск, ул. Лисичанская, 3, тел. 80508554462. Богданова Лина Михайловна, старший преподаватель кафедры компьютерных информационных технологий ДГМА. Научные интересы: интегрированные системы подготовки производства и моделирование систем. Адрес: Украина, Краматорск, ул. Шкадинова, 48/21, тел. 41-86-55.
Пономаренко Виктория Васильевна, студентка гр. ИТ-04-1 ДГМА. Адрес: Украина, Краматорск, ул. Севастопольская, 79, тел. 41-79-94.
