Введение к работе
Актуальность темы исследования. Важнейшей задачей динамично развивающейся экономики является необходимость сокращения сроков и стоимости инженерной подготовки производства при одновременном повышении сложности и качества разрабатываемых инновационных проектов. Решить эту задачу можно только на базе автоматизации функционального, конструкторского и технологического проектирования путем развития, совершенствования и внедрения в производство соответствующих автоматизированных систем.
В настоящее время созданы и наиболее развиты системы автоматизированного проектирования (САПР) в машиностроении, электроэнергетике, строительстве, текстильной отрасли, горном деле. Существующие САПР основаны на алгоритмическом подходе, имеют средства автоматизации оформления технической документации, а также средства информационной поддержки проектирования. Однако подавляющее большинство САПР инженерной подготовки производства не способны в полной мере поддерживать автоматизацию принятия решений. Применительно к проектированию трикотажа они являются узкоспециализированными. В них задача интеграции подсистем художественно-технологического и структурно-параметрического проектирования решена для ограниченного круга переплетений в рамках рисунчатых возможностей конкретной вязальной машины. Создание универсальных алгоритмов проектирования трикотажа является актуальной задачей, позволяющей наиболее полно использовать весь парк вязального оборудования предприятия, быстро проектировать новые рисунки и осуществлять перезаправку вязального оборудования, а также рационально использовать интеллектуальный труд проектировщиков.
Спецификой проектирования трикотажа является то, что значительная часть знаний – это личный опыт специалистов высокого уровня. Кроме того, знания данной предметной области слабо структурированы. Для повышения качества проектных решений необходимо в системе иметь базу знаний, использовать методы искусственного интеллекта и предоставлять возможность носителям технологического опыта сохранять его в системе, то есть произвести «интеллектуализацию» подсистем.
В данной работе сделана попытка автоматизации проектирования менее изученного и наиболее сложного по структуре объекта трикотажной технологии – трикотажа основовязаных переплетений (ТОП). Интеллектуализация проектирования достигается за счет использования онтологического подхода в процессе разработки модели представления знаний и предусматривает применение современной методологии, позволяющей довести методы проектирования до готовых технологий, под которыми понимаются апробированные стратегии создания проектных решений. Предлагаемые автором теоретические разработки, используемые для автоматизированного проектирования, доведены до практической реализации – создания программного продукта, позволяющего выполнять в комплексе процедуры художественно-технологического и структурно-параметрического проектирования ТОП.
Кроме того, в интеллектуальных САПР возрастает обратное воздействие ЭВМ на человека за счет резкого увеличения объема новых знаний, вырабатываемых при функционировании подсистем, поэтому их можно применять для обучения и повышения квалификации проектировщиков, а также в качестве учебно-исследовательских САПР при подготовке инженеров-технологов трикотажного производства, а также инженеров-системотехников – создателей автоматизированных систем.
Настоящая работа проводилась по теме «Функциональное проектирование механических объектов сложных технических систем на микро – , макро – , метауровне. Этап V: Разработка системы автоматизированного проектирования трикотажных полотен», (№ Госрегистрации 01201351142), выполняемой Камышинским технологическим институтом (филиал) Волгоградского государственного технического университета.
Цель работы – повышение эффективности проектирования трикотажа основовязаных переплетений за счет развития и совершенствования автоматизированных методов реализации проектных процедур и операций на основе онтологического подхода и моделей представления знаний.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
1. Анализ моделей и инструментальных средств представления знаний, используемых в автоматизированных системах.
2. Разработка концептуальной модели ТОП.
3. Построение и адаптация онтологической модели знаний для решения задач художественно-технологического и структурно-параметрического проектирования ТОП.
4. Создание и реализация программно-методического комплекса моделирования и проектирования ТОП.
5. Оценка эффективности проектирования трикотажа основовязаных переплетений с использованием программно-методического комплекса «ПМК-ТОП».
Методы исследования.
При разработке теоретических и практических положений диссертационной работы применен комплексный метод исследований, включающий: анализ литературных источников; описание и онтологическое представление знаний; теорию систем, математическую логику и моделирование; алгоритмизацию и программирование; планирование, проведение и обработку машинных экспериментов, компьютерную графику.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих положениях, выносимых на защиту:
1. Предложен онтологический подход для создания и совершенствования модели знаний, обеспечивающий описание предметной области автоматизированного проектирования основовязаного трикотажа и ее формализованное представление.
2. Разработана системная концептуальная модель ТОП, как объекта функционального, конструкторского и технологического проектирования, которая является организацией структурированной информации, позволяющей подсистеме экспертной поддержки автоматизированного проектирования эффективно формировать и манипулировать знаниями в данной предметной области.
3. Разработана онтологическая модель знаний в области автоматизированного проектирования основовязаного трикотажа на базе разделения знаний на инвариантные компоненты: знания о задаче, методах решения этих задач, предметной области и знания о том, как предыдущие три компонента объединяются в единую модель знаний. Предложена технология работы с онтологической моделью знаний.
4. Разработано компьютерное представление онтологической модели знаний для решения задач автоматизированного художественно-технологического и структурно-параметрического проектирования ТОП.
Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается:
анализом методологических аспектов автоматизированного проектирования структур и параметров ТОП;
адекватным алгоритмическим и программным воспроизведением на ЭВМ процессов художественно-технологического и структурно-параметрического проектирования трикотажных изделий на основе реализации в системе онтологической модели знаний;
результатами вычислительных экспериментов, в которых проводится сопоставление расчетных качественных и количественных показателей изготовления трикотажа на вязальной машине с фактическими значениями оцениваемых характеристик, полученных в производственных условиях.
Практическая значимость результатов.
1. Разработаны алгоритмы выбора онтологии и метода решения задач художественно-технологического и структурно-параметрического проектирования ТОП.
2. Разработаны структура и алгоритмы функционирования программного комплекса моделирования знаний специалиста, где реализован модуль редактирования онтологического представления компонентов модели знаний.
3. Разработана подсистема художественно-технологического проектирования трикотажа путем формирования матрицы рисунка, а также воспроизведения узора трикотажа на вязальной машине, преобразуя информацию о рисунке в информацию о технологии его воплощения в реальное изделие.
4. Разработана подсистема структурно-параметрического проектирования, заключающегося в подборе сырья, установлении параметров структуры трикотажа и выборе вязального оборудования.
5. Реализован пример решения задачи автоматизированного проектирования основовязаного трикотажа уточного переплетения с использованием созданного на базе проведенных исследований программно-методического комплекса «ПМК-ТОП», проведенные испытания которого подтвердили его работоспособность и корректность.
Реализация и внедрение результатов.
Программно-методический комплекс «ПМК-ТОП» и разработанная на его основе интеллектуальная учебно-исследовательская САПР трикотажа основовязаных переплетений используются в Камышинском технологическом институте (филиал) Волгоградского государственного технического университета для подготовки бакалавров направлений 261100.62 «Технология и проектирование текстильных изделий», 230100.62 «Информатика и вычислительная техника», 231000.62 «Программная инженерия».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научных и научно-практических конференциях: Международной научно-практической конференции «Воспитание студента-кооператора – активного участника кооперативного движения России» (Волгоград, 2008); II Международной научно-практической конференции молодых исследователей «Наука и молодежь: новые идеи и решения» (Волгоград, 2008); V Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании» (Варна, Болгария, 2009); Международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию Победы в Великой Отечественной войне «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих, инновационных технологий» (Волгоград, 2010, работа получила первое призовое место); Международной научно-практической конференции «Интеграционные процессы в науке, образовании и аграрном производстве – залог успешного развития АПК» (Волгоград, 2011); Международной научно-практической конференции «Профессиональное аграрное образование XXI века: новые стандарты, методики, технологии» (Волгоград, 2012); V, VI, VII, VIII Всероссийских научно-практических конференциях «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2008, 2009, 2010, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе: 2 монографии (в соавторстве), 2 публикации в зарубежном журнале, 5 публикаций в центральной печати, 3 из них в журналах, рекомендованных ВАК. На созданный в ходе выполнения диссертационной работы программно-методический комплекс «ПМК-ТОП» оформлена и подана заявка на получение свидетельства о регистрации программы в Федеральный орган исполнительной власти по интеллектуальной собственности. Правообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет».
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 89 источников и 6 приложений. Основной текст изложен на 147 страницах, включая 22 рисунка и 10 таблиц.
