CC BY
17
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 658.512.22
А. Ф. ПОХИЛЬКО, А. В. СКВОРЦОВ
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ САПР
Рассматривается модель ИИС комплексной автоматизации предприятия, использующая метод «прозрачного» извлечения экспертных знаний.
Ключевые слова: искусственный интеллект, интеллект, автоматизация проектирования, САПР, CASE инструментальные технологии.
ВВЕДЕНИЕ
Наивысшей эффективностью с точки зрения автоматизации процесса проектирования, как известно, обладают специализированные системы. Однако следствием специализации является отсутствие функциональности, необходимой для комплексного решения задач автоматизации проектирования (поскольку подобные системы представляют собой «авторские» графические средства плюс набор расчётно-аналитических процедур, выполненных в соответствии с алгоритмом проектирования). Таким образом, автоматизация рабочего места проектировщика осуществляется, как правило, путём использования нескольких систем автоматизированного проектирования, перекрывающих различные этапы проектной деятельности. Интеграция используемых систем проектирования осуществляется на уровне обмена файлами, полученными в результате работы с каждой из систем. Но практика показывает, что подобная модель интеграции вызывает потерю существенной информации при её переносе между системами [1,2].
ОБОБЩЁННАЯ КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ
КОМПЛЕКСНОЙ ИИС
Выходом из сложившейся ситуации является либо создание крупной комплексной специализированной системы, охватывающей все этапы жизненного цикла изделия и учитывающей все нюансы работы конкретного предприятия, исключающей возможность потери информации, либо совершенствование способов интеграции уже имеющихся в распоряжении проектировщика автоматизированных систем. Построение крупной системы требует огромнейших затрат
А. Ф. Похилько, А. В. Скворцов. 2006
финансовых и «человеческих» ресурсов. Кроме того, однажды созданная подобная система постоянно требует модификации в соответствии с меняющимися условиями функционирования предприятия. Потеря данных, возникающая при использовании существующих методов интеграции уже используемых автоматизированных систем, не допускает возможности сквозной параметризации проектируемого изделия. Отсутствуют необходимые механизмы фиксации и обмена использованными в ходе работы техническими знаниями и процедурами-проектирования, тем самым исключается возможность накопления базы технических знаний для повторного использования в схожих проектных ситуациях [3].
Предлагается решение проблемы, позиционирующееся посредине вышеописанных методов. Идея состоит в том, что бы обеспечить возможность создания крупной, полноценной, распределённой, специализированной под конкретное предприятие, самомодифицирующейся, легко масштабируемой до уровня крупной организации, интегрированной САПР самими проектировщиками данного предприятия. Дав им в руки принципиально новое, снабженное интуитивно понятным интерфейсом, требующим минимального времени для изучения САБЕ-средство, с помощью которого возможно создание исключительно с помощью визуальных средств (без прямого написания программного кода) самостоятельных программные продуктов, - специализированных автономных систем проектирования (АС), предназначенных и оптимизированных для решения конкретных типовых задач, стоящих перед их создателем. Обеспечить АС, механизмами интеграции и обмена результатами проектирования без потери информации, позволяющими сохранять применённые в ходе работы инженером технические знания и опыт, с возможностью их
повторного использования. Реализовать инструмент для определения и, что особенно важно, -изменения интеграционных иерархических связей между полученными в ходе работы АС. Таким образом, результатом работы группы проектировщиков будет являться набор специализированных АС, объединёнными между собой интеграционными связями, полностью соответствующими принятым на предприятии бизнес-процессам, позволяющим осуществлять накопление базы данных проектных решений, для их повторного использования при выполнении подобных заданий.
Предлагаемая модель ИИ С, реализующая все вышеописанные идеи и задачи, основывается на следующих принципах:
• Любой процесс проектирования можно представить в виде совокупности базовых проектных операций (ПО), так называемого - базиса проектных решений.
• Число типов ПО, образующих весь проект остается неизменным, - расчёт, геометрическое построение, оформление текстового документа, формирование табличных данных. Для выполнения каждого типа ПО используются узкоспециализированные САПР - АС, «собранные» самим проектировщиком из уже имеющегося (но легко расширяемого) в базе данных набора ПО.
• Процесс проектирования представляется в результате комбинацией ПО в выбранном базисе проектных решений.
• Обмен данными между АС производится в едином формате, основанном на фиксации не результата, а последовательности его получения и, как следствие, исключающем потерю использованных данных.
© Результат проектирования представляется как описание последовательности текущих ПО (выполняемых с помощью созданных АС) и набора иерархических связей между ними.
МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ И МОДЕЛЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ Признано, что в силу особенностей личности человека, его психологических свойств, процесс получения знаний от экспертов чрезвычайно трудоёмок и составляет, по некоторым оценкам, 75-90 % от трудоёмкости всего процесса создания системы искусственного интеллекта [4], плохо прогнозируется, обладает большими временными затратами и психологическими нагруз-
ками для всех участников этого процесса. До настоящего времени не существует единой классификации методов извлечения знаний из экспертов. .
В данной работе предлагается метод получения знаний от экспертов, основанный на «прозрачной» фиксации и последующей параметризации последовательности действий данного эксперта, совершённых им при решении конкретной типовой задачи с использованием привычной для него среды проектирования. Полученная параметризированная последовательность, отражая по существу алгоритм проектирования, является элементарным носителем технического знания. Поскольку, однажды извлечённая, может быть использована третьими лицами, возможно не обладающими достаточной квалификацией для самостоятельной проектной деятельности, в схожих проектных ситуациях. В рамках рассматриваемой ИИС извлекаемые последовательности действий представлены ПО.
На текущий момент в качестве модели представления процесса проектирования чаще всего используется И-ИЛИ граф (относящейся к морфологическим методам). И-ИЛИ-граф состоит из пары множеств: X - множество вершин, II -множество ребер (дуг). Вершинами графа являются ПО и их признаки, а дуги показывают иерархическую соподчинённость между элементами и их признаками, а также принадлежность признаков элементам. В вершинах множества «И» располагаются элементы, выполняющие различные функции, а также признаки элементов, относящихся к разным группам признаков. Вершины «ИЛИ» объединяют альтернативные элементы, выполняющие одинаковые или очень близкие функции, и признаки, характеризующие индивидуальные особенности каждой ТС.
Множество путей достижения технических решений (прохождение по вершинам И-ИЛИ-дерева) может быть представлено в виде логической записи (предиката), где при выполнении всех условий принимается значение «истина», в противном случае - «ложь». Форма записи следующая: Р(А&(ВиСиО)&Р) = [0;1], где А, Б -элементы, выполняющие различные функции; В, С, О - альтернативные элементы, выполняющие близкие функции. Решение системы уравнений, представленных в предикатной форме, это и есть удовлетворяющее ТЗ техническое решение. Пример дерева на рис.1.
Для существующих реализаций этого метода характерны следующие недостатки:
• неполнота набора вариантов ПО;
И - ИЛИ Дерево решений
Модификация И - ИЛИ дерева
Рис. 1. Модели представления процесса проектирования
® невозможность внесения изменений, поскольку алгоритм операций жёстко «прошит» в теле программ; • невозможность добавления новых решений.
Другим подходом, который собственно и применяется в представленной ИИС, является динамическое наполнение множества проектных решений, т. е. построение и наращивание графа во время самого процесса проектирования, что сразу же снимает вышеописанные недостатки.
Процесс проектирования в разрабатываемой системе представлен в виде модификации И-ИЛИ дерева. Модификация заключается в изменении роли дуг и внесении дополнительной информационной нагрузки на вершины. В новой модели дуги будут определять не иерархическую соподчинённость, а лишь свидетельствовать о наличии связи между операциями. Дополнительная информационная нагрузка на вершины призвана обеспечить лишь одно - определение списка предков (потомков) для данной вершины. Благодаря таким нововведениям И-ИЛИ дерево перерождается в граф связей операций (ГСО), в котором отсутствуют все вышеописанные проблемы (рис. 1). Кроме того, новая модель позволяет в любой момент перейти к И-ИЛИ дереву, описывающее данный процесс проектирования.
Основу математической модели составляют: ® множество проектов, Пр{Пр1 <ID, Name, Description> }, где ID - уникальное чис-ло-идентификатор проекта (уникальное числовое значение записи в БД, (в дальнейшем будет опускаться)); Name - имя проекта (краткое смысловое содержа-
ние); Description - описание содержания проекта;
• множество проектных операций типа «и»
. ПОи {nOni <ID, Type ID, Name,
Descrition> }, где TypelD - тип ПО; Name - имя элемента, отражающее смысловое наполнение; Description - подробное описание; -
• множество проектных операций типа «или» ПОили {ПОилш <ID, TypelD, Name, Descrition> }, где TypelD - тип элемента множества (ИЛИ); Name - имя элемента, отражающее смысловое наполнение; Description - подробное описание;
• множество переменных, принадлежащих проектным операциям П {Ш <1D, NodelD, Name, Description, TypelD, Islnput>}, где NodelD - дентификатор проектной операции которой принадлежит данная переменная; Name - имя переменной, отображающее смысловое наполнение; Description - подробное описание; TypelD - тип переменной; Islnput -флаг говорящий о том, входная это переменная или выходная;
® множество связей между переменными операций С {Ci <ID, NodeVarlDi, NodeVarlDj>}, где NodeVarlD - идентификатор переменной операции.
Процесс проектирования можно представить в виде совокупности элементов множества ПО. Каждый элемент множества nOi представляет собой отдельную реализованную подзадачу проектирования, таким образом, существует воз-
можность описать проект Пр, используя реализованные проектные решения:
Пр = ПОи! & ПОи2 & ПОили 1( (ПОш & ПОш+1 &...) or (ПОилик(... ))), где i, к - индексы элементов множеств, адекватные проектным ситуациям.
Создание нового и выполнение существующего проектного решения начинается с выделения некоторой области задач, в которую будет вписываться проект (создание или выбор элемента множества Пр). Далее следует пополнение и (или) изменение элементов всех остальных множеств в контексте данного проекта, что позволяет автоматически поддерживать связь между элементами множеств. Посредством этих связей в дальнейшем становится возможным восстановление дерева проекта.
Воспроизведение проектного решения заключается в выборе элемента ilpi и дальнейшем прохождении по ветвям дерева с обработкой элементов множества ПО.
ЭКСПЕРИМЕНТ В ходе проделанной работы, был поставлен программный эксперимент, доказавший состоятельность предложенной модели, в ходе которого создано вышеописанное CASE-средство. Возможность реализации набора АС проектировщиком основана на использовании набора широко распространённых специализированных коммерческих продуктов (SolidWorks осуществлял геометрическое моделирование, MathCad - математические расчёты, MS Access - СУБД, и т. д.). В данном программном продукте процесс фиксации ПО осуществляется посредством API, предоставляемого используемыми инструментальными коммерческими САПР. Наложение, удаление и изменение связей между АС осуществляется при помощи специального модуля -«Менеджер АС», который кроме этого позволяет ещё осуществлять контроль за текущей стадией процесса проектирования, управлять полученными данными, добавлять новые операции. Основных функции:
создание, изменение, удаление и хранение в БД базовых проектных операций;
наложение, изменение, удаление связей между базовыми проектными операциями в рамках различных проектов;
составление проектов из базовых проектных операций, содержащихся в БД;
визуализация ГСО (схема взаимосвязей между базовыми проектными операциями, в рамках конкретного проекта);
решение проекта: последовательное выполнение базовых проектных операций, образующих
проект, в соответствии с определённым алгоритмом;
добавление справочной информации, к различным элементам, образующим проект (проектные операции, связи между операциями, переменные операций);
реализация структурной параметризации.
В качестве дальнейшего развития созданного САБЕ-средства планируется реализовать наиболее полно соответствующие описанной идеи принципы построения АС. Предполагается создание необходимого инструментария и библиотеки действий (БДЕ), на основе которых инженер, пользуясь визуальными средствами, будет компоновать необходимую именно ему АС. Проектировщик (пользователь) будет не просто создавать АС, он их будет, как и предполагалось, «собирать» из необходимых действий, содержащихся в БДЕ. Для этого ему будет необходимо, воспользовавшись предложенным инструментарием, на пустую форму, символизирующую пустую АС, «перетащить» из существующей, но легко расширяемой палитры ПО те действия, которые необходимы для выполнения заданной проектной операции. В результате пользователь получит АС, решающую конкретную типовую задачу, содержащую только необходимые для ^того инструменты. АС, снабжённую возможностью фиксации последовательности решения данной задачи и полностью лишённую избыточности. Кроме того, созданная АС уже сама по себе будет являться носителем технического знания, поскольку однажды созданная и снабжённая справочным материалом по применению может быть использована третьими лицами, возможно, не обладающими достаточной квалификацией для самостоятельной проектной деятельности, в схожих проектных ситуациях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотренная модель ИИС, позволяет накапливать, модифицировать и обобщать типовые методики проектирования технических объектов в условиях функционирования рабочей группы проектировщиков, что приводит к следующим ключевым положительным эффектам:
• сохранение и повторное использование эмпирического опыта конструкторов;
• повышение гибкости представления проектной документации;
• сокращение экономических издержек, связанных с естественной сменой кадров на предприятии;
© организация функционирования рабочей группы на уровне информационной системы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Похилько, А. Ф. Технология представления проектной деятельности в интегрированной среде САПР / А. Ф. Похилько // Вестник УлГТУ. Сер. Информационные технологии. - 2000. - № 3.
2. Похилько, А. Ф. Построение модели классов объектов и типовых методик проектирования в интегрированной интероперабельной среде САПР / А. Ф. Похилько // Вестник УлГТУ. Сер. Информационные технологии. - 2001. - №4.
3. Скворцов, А. В. Инструментальная компонента разработки приложений в интегрированной среде / А. В. Скворцов, А. Ф. Похилько // Труды четвёртой всероссийской научно-технической конференции «Современные про-
блемы создания и экплуатации РЭС». УлГТУ. -Ульяновск: УлГТУ, 2004. 4. Девятков, В. В. Представление знаний в информационных системах / В. В. Девятков // http://www.techno.edu.ru:800 ШЪ/тз^24163.html
Похилько Александр Фёдорович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Системы автоматизированного проектирования» (САПР) УлГТУ. Имеет статьи в области информационных технологий построения САПР, методах и моделях принятия решений. Скворцов Александр Владимирович, аспирант кафедры САПР УлГТУ. Имеет работы в области информационных технологий.
УДК 519.876.5 В. Е. ДЕМЕНТЬЕВ
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛГОРИТМОВ ОБНАРУЖЕНИЯ НА МНОГОМЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЯХ
Производится анализ алгоритмов оптимального обнаружения точечных и протяжённых сигналов на многомерных изображениях. Выявляется зависимость эффективности обнаружения от размерности случайного поля, его корреляционных характеристик, параметров шума и полезного сигнача.
Ключевые слова: обнаружение, решающее правило, математические модели, многомерные изображения, отношение правдоподобия.
Поддержано грантом РФФИ 05-08-33712А
В последнее десятилетие быстро развиваются разнообразные системы, связанные с обработкой цифровых сигналов и изображений. Среди них можно выделить радио- и гидролокационные комплексы с пространственными антенными решётками, аэрокосмические системы глобального мониторинга Земли, системы технического зрения и др. Для названных систем описание сигналов и помех осуществляется с помощью случайных функций нескольких переменных, то есть случайных полей (СП). Несмотря на большое число публикаций по проблемам представления и обработки СП, в настоящее время отсутствуют удовлетворительные решения целого ряда задач даже для плоских изображений. Обработка и представление случайных полей, заданных на многомерных пространствах, рассматри-
В. Е. Дементьев, 2006
вались в весьма ограниченном числе работ [1, 2,4]. Это объясняется большими методологическими и математическими трудностями построения алгоритмов обработки случайных полей, связанными с переходом к нескольким измерениям. Одной из важных задач, возникающих при обработке многомерных СП, является задача обнаружения аномалий. В настоящее время известны оптимальные алгоритмы обнаружения аномалий на многомерных изображениях [2-4]. Вместе с этим в литературе практически отсутствуют аналитические оценки эффективности обнаружения аномалий при наличии многомерных коррелированных помех. Поиску этих оценок, а также выявлению и анализу некоторых важных соотношений и посвящена настоящая работа.
Для решения этих вопросов формализуем задачу обнаружения в следующем виде. Пусть производятся наблюдения
