CC BY
156
Раздел 3 Автоматизация проектирования
УДК 658.512.011.56:681.31(075.8)
Г.Б. Евгенев, АХ. Кобелев, А.А. Кокорев, АХ. Стисес
СА8Е-ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ МНОГОАГЕНТНЫХ САПР ИЗДЕЛИЙ
МАШИНОСТРОЕНИЯ
Создание современных интеллектуальных проблемно-ориентированных систем не мыслимо без соответствующих САБЕ-технологий. В широком смысле САБЕ-технология представляет собой совокупность методологий анализа, проектирования, разработки и сопровождения сложных систем программного обеспече-( ), . Большинство САБЕ-средств основано на парадигме методоло-
гия/метод/нотация/средство. Методология определяет шаги работы и их последовательность, а также правила распределения и назначения методов. Метод - это систематическая процедура генерации описаний компонент ПО. Нотации предназначены для описания структур данных, порождающих систем и метасистем. Сред-
- -ции. Эти инструменты: поддерживают работу пользователей при создании и редактировании графического проекта в интерактивном режиме; способствуют организации проекта в виде иерархии уровней абстракции; осуществляют генерацию ПО и используются при его тестировании.
Методологической основой описываемой САБЕ-технологии является систе-
- , , -, , , отдельных классов [1]. Основой иерархической классификации систем в системо-логии является иерархия уровней знаний (табл.1).
( 0) - , -мая исследователем как таковая. На этом уровне рассматриваются характеристики и взаимосвязи между свойствами (переменными) проектируемой системы.
На более высоких уровнях системы отличаются друг от друга содержанием знаний относительно переменных соответствующей исходной системы. На более высоком уровне используются все знания нижерасположенных систем и, кроме , , .
1
Классификация уровней знаний
УРОВНИ 4, 5... МЕТАСИСТЕМЫ (отношения между определенными ниже отношениями)
УРОВЕНЬ 3 СТРУКТУРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ (отношения между определенными ниже системами)
УРОВЕНЬ 2 ПОРОЖДАЮЩИЕ СИСТЕМЫ (модели, генерирующие определенные ниже данные)
УРОВЕНЬ 1 СИСТЕМЫ ДАННЫХ (данные, структура которых определена ниже)
УРОВЕНЬ 0 ИСХОДНЫЕ СИСТЕМЫ (язык определения данных)
, ,
(исходную систему с данными) как определенную на уровне 1. Системы этого уровня называются системами данных. В зависимости от задачи данные могут быть получены из наблюдений или с помощью измерений (как в задаче моделиро-), ( ).
Более высокие уровни содержат знания об отношениях рассматриваемых пе-, -щих начальных и граничных условиях.
2 -ляет собой уровень базы знаний генерации значений переменных, определяющих структуру и свойства изделий и технологических процессов. Поскольку задачей генерации свойств является реализация процесса, при котором состояния основных переменных могут порождаться по множеству параметров при различных начальных или граничных условиях, системы уровня 2 называются порождающими сис-.
На уровне 3 системы, определенные как порождающие или системы более , . -ся, т.е. иметь некоторые общие переменные. Системы такого уровня называются .
На уровнях 4 и выше системы состоят из набора определенных на более низком уровне систем и некоторой метахарактеристики (правила, отношения, проце-), . , -бы эти системы имели одни и те же исходные и были определены на уровнях 1, 2 или 3. Для задач автоматизации проектирования системы это уровень структурного .
В широком смысле технология представляет собой последовательность дей, -мощью соответствующих средств. При выполнении каждого действия применяется один или несколько методов, которые используют определенную нотацию для пре.
На рис.1 представлена функциональная схема, отображающая упомянутую
, -методического комплекса прикладной многоагентной системы. На стрелках меха, , используемых инструментальных программных средств.
Рис.1. Функциональная схема САБЕ-технологии создания многоагентных САПР
Первое действие технологии направлено на разработку проекта метасистемы, охватывающей все множество изделий, подлежащих разработке с помощью мно-. -нально-структурного анализа прикладной области. При выполнении этого анализа используется комбинированный метод, основанный на стандартах ГОЕР0 и ГОЕР1Х с соответствующей нотацией.
На рис.2 представлен фрагмент диаграммы метасистемы электродвигателей. Функциональное назначение электродвигателя заключается в преобразовании энергии электрической в механическую энергию вращения [2]. При этом возникают сопутствующие потери в виде тепловой и акустической энергии. Электродвигатель является механизмом реализации этой функции. Имеется несколько вариантов : , и постоянного тока. Каждый из этих вариантов имеет свой физический принцип .
На рисунке (см. рис.2) приведена функциональная декомпозиция асинхронных электродвигателей. Каждая подфункция имеет свой механизм реализации. Например, передача механической энергии производится с помощью вала, установленного в станине с помощью подшипниковых узлов. В свою очередь каждый из конструктивных узлов может иметь несколько вариантов исполнения и состоять из различных наборов конструктивных частей. Декомпозиция метамодели изделия доводится до элементов формы деталей, к которым привязаны знания по проектированию технологических процессов. В результате функционально-структурного
анализа формируется иерархический ИМЛИ граф, объединяющий все исходные , .
Рис. 2. Метасистема электродвигателей
Параметры стандартных изделий таких, как подшипники, болты и т.п., должных храниться в базе данных. Там же хранится и архив спроектированных ранее .
Следующей операцией САБЕ-технологии является разработка объектной ме-.
объектно-ориентированный подход (ООП) к проектированию программных средств. В качестве инструментального средства используется подсистема 8ргЦ X [3]. Суть этой операции заключается в генерации на основе разработанного ранее проекта метамодели изделия концептуальной и физической моделей объектноориентированной базы данных. Генерация производится в интерактивном режиме с использованием классической нотации представления иерархических систем.
В качестве элементов при построении метамодели данных используются классы объектов. Иерархия объектов по отношению "целое-часть" определяется
конструктивной входимостью в изделие представляемых ими узлов и деталей. Например, узлами первого уровня входимости являются ротор, щит подшипниковый .
и груз балансировочный.
Отношения "целое-часть" определяет связи между классами объектов типа И. В таких связях параметр "группа" имеет значение 0. Если значение параметра "группа" отлично от 0, то это означает родовидовую связь между классами объектов типа ИЛИ. Например, вал может иметь различные исполнения своих рабочих .
После разработки иерархической структуры объектной модели данных, а зачастую и параллельно с ней проводится формирование свойств объектов и их взаимосвязей. Набор свойств должен быть необходимым и достаточным для решения всех конструкторских, технологических и управленческих задач производства изделий данного класса. В число этих свойств входят: обозначение, масса, марка материала детали, шероховатость "остадьное", виды конструктивных исполнений элементов детали, размеры с указаниями точности их изготовления и т.п. Свойства могут наследоваться по иерархии объектов. Предусмотрена также возможность передавать свойства объектам, не соподчиненным по иерархии. Это необходимо для согласования посадочных размеров деталей, принадлежащих разным узлам. В итоге, помимо иерархического графа объектов, генерируется граф связи свойств.
Каждое свойство имеет тип и статус. Имеется возможность использовать свойства трех типов: действительное число (real), целое число (integer) и строковая переменная (string). По своему статусу свойство может быть внутренним (internal), импортируемым (import) и экспортируемым (export).
Построенная метамодель данных определяет интерфейсную часть всех входящих в нее классов объектов. Помимо интерфейсной части, которая в процессе проектирования позволяет фиксировать состояние, каждый объект имеет опреде-, .
Методы строятся на основе баз знаний, которые принадлежат к классу поро. -ний: математический и экспертный. К числу математических относятся геометри.
Инструментальным средством разработки геометрических и графических баз знаний, формирующих чертежи, является система Sprut CAD [4]. Эта система является открытой конструкторской средой для автоматизации труда конструкторов и разработчиков систем проектирования. Характерная особенность параметриза-Sprut CAD ,
представление: графическое и текстовое. В результате интерактивных действий пользователя в графическом окне автоматически генерируется текст программы на языке СПРУТ в окне отладчика. Система обеспечивает синхронизацию между графическим и текстовым представлением каждого элемента. Интерактивное изменение элемента приводит к корректировке его текстового определения, и наоборот, редактирование текстового определения любого элемента автоматически отражается на чертеже. При этом во всех случаях система не только изменит редактируемый элемент чертежа, но и по дереву построения автоматически переопределит все , . Sprut CAD
подпрограммы и представляют собой геометрическую базу знаний (рис.3).
Рис.3. Разработка графической базы знаний в Sprut CAD
Инструментальным средством разработки экспертных баз знаний является система Sprut ExPro [5]. Sprut ExPro реализует экспертное программирование и позволяет непрограммирующим специалистам создавать интеллектуальные конст-
-
7... 10 раз выше, чем профессионалы.
Экспертное программирование основано на представлении знаний в форме , « - ». -ски такая объект-функция представляется в форме прямоугольника (рис.4), каждая из четырех сторон которого имеет определенное назначение: левая - входы, правая
- выходы, верхняя - управление, нижняя - механизмы.
Входы
Управление
I I
Имя
№
_^}ыходы
Механизмы Рис.4. Объект-функция
Теоретическую схему (см. рис.4) необходимо представить в форме, удобной для ее задания человеком при вводе знаний в компьютер. Наиболее простой формой является таблица (рис.5). Такая таблица содержит все элементы функционального блока (см. рис.4). Наименования параметров должны выбираться из словаря системы, также как и их имена-идентификаторы, необходимые для написания формул. Условия модулей знаний (М3) представляют собой ограничения, накла-
дываемые на входные и управляющие параметры и определяющие область опреде-, .
Наименование Имя Ограничение
Конфигурация оси Kon$ сплошная
Изгибающий момент, Нмм (0.,95000)
Допустимое напряжение изгиба, МПа Mi DNIz [0.6,0.95]
Диаметр оси расчетный, мм dr (Mi/(0.1* DNIz))A(1/3)
Рис.5. Внешнее представление модуля - формулы
Неструктурированная совокупность М3 в определенной прикладной области представляет собой базу знаний этой области, аналогичную базе знаний продукционных систем искусственного интеллекта, которые используются в экспертных .
Механизмы модулей знаний должны обеспечивать реализацию всех функций, которые могут потребоваться при формировании баз знаний. В число основных таких функций входят следующие: вычисление по формулам (в том числе присвоение значений переменным); определение значений по таблицам; работа с базами данных; вычисление значений с использованием подпрограмм; вычисление значений с помощью методов, сгенерированных из модулей знаний; вычисление значений с помощью исполняемых модулей существующих систем, входные и выходные данные которых хранятся в базах данных.
Внешнее представление модуля (см. рис.5):
Модуль: M1.
Разработчик: Евгенев Г. Б.
Наименование: Расчет диаметра оси.
Источник информации: Анурьев В .И. Справочник конструктора, т.2, стр.9.
Если рассматривать этот М3 как правило-продукцию, то он эквивалентен следующему предложению: «если конфигурация оси "сплошная" и изгибающий момент (Mi) больше 0 и меньше 95000 Нмм и допустимое напряжение изгиба (DNIz) больше или равно 0.6 и меньше или равно 0.95 МПа, то диаметр оси расчетный вычисляется по формуле dr=(Mi/(0.1*DNIz))A(1/3)».
После разработки модулей экспертной базы знаний производится генерация методов, использующих эти модули. В Sprut ExPro генерация методов осуществляется автоматически - достаточно отобрать модули, необходимые для решения задачи. Система сама определяет необходимый набор исходных данных и генерирует программу метода. Множество выходных переменных эксперт выбирает из числа тех переменных, которые определяются в генерируемом методе.
Следующей операцией создания объектной метамодели изделия является подключение методов к объектам, выполняем с помощью Sprut X. На рис.6 представлена структура объектов с подключенными к ним методами. В процессе подключения производится привязка входных и выходных переменных метода к свой.
Рис. 6. Подключение методов к объектам С помощью методов производится: выполнение необходимых инженерных ; ; необходимости 3D моделей, и чертежей; проектирование технологических процессов изготовления сборочных единиц и деталей.
Последней операцией CASE-технологии создания многоагентных САПР является генерация прикладного интерфейса системы. Эта генерация выполняется в полуавтоматическом режиме на основе разработанной объектной метамодели из.
.
Создаваемые прикладные системы относятся к классу систем "проектирования от одной кнопки" и могут работать в полностью автоматическом режиме. Достаточно задать технические требования, состоящие из свойств верхнего объекта, и нажать на кнопку "Генерация чертежей". Свойства задаются с помощью кнопки "Инспектор". При необходимости скорректировать сгенерированные чертежи нажатием на кнопку вызывается графический редактор Sprut CAD.
CASE- -
ния асинхронных электродвигателей, внедренная в промышленность.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Евгенев Г.Б. Системология инженерных знаний: учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во
. . . , 2001. 520 .
2. Евгенев ГБ., Кобелев А.С., Кокорев А.А., Стисес АТ. Онтологические мультиагентные САПР изделий машиностроения// Труды Международных конференций "Искусственные интеллектуальные системы" (IEEE AIS'02) и "Интеллектуальные САПР" (CAD-2002). С.302-308.
3. . . -
технологии. САПР и графика. № 11'00. С.41-44.
4. Кузьмин Б.В., Хараджиев В.Х. SprutCAD: особенности национальной параметризации.
. 9'01. .20-22.
5. . ., . . SprutExPro: .
и графика. № 1'02. С.66-71.
