Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В настоящее время бурное развитие вычислительной техники оказывает сильное влияние на процесс трансформации все большей доли труда из области переработки вещества и энергии в область поиска, хранения, переработки и передачи информации. В связи с чем чрезвычайно актуальна проблема удовлетворения потребностей в информации ученых-исследователей из фундаментальных и прикладных наук, специалистов-практиков (инженеров) из различных отраслей экономики.
В данной работе рассматриваются только физические знания. Физические знания активно используются при проведении научных исследований в различных областях науки и техники (методики исследований, свойства различных классов объектов, реакция объектов на разнообразные физические воздействия и т.п.), в проектировании технических изделий и технологий. Накопленный к настоящему времени объем знаний в области физических наук настолько рассредоточен в различных монографиях, научных статьях, справочниках и энциклопедиях, что является практически необозримым для специалистов конкретных предметных областей. Кроме того, во многих случаях форма представления физической информации затрудняет их непосредственное использование в инженерной деятельности для решения проектно-конструкторских и технологических задач.
Для решения возникших проблем появились разработки по созданию специальных баз данных (БД) физических знаний, в которых физические знания представляются особым структурированным образом (в виде физических эффектов (ФЭ)), обеспечивающих их удобное использование. Применение ФЭ на начальных этапах проектирования технических систем позволяет создавать инновационное решение, а также выполнять прогнозирование развития новых решений.
В литературе представлены различные подходы к формализации моделей описания ФЭ, созданию на их основе автоматизированных систем обработки физической информации. Весомый вклад в развитие научного направления, в рамках которого осуществляется структурирование физической информации, внесли Г.С. Альтшуллер, Г.Я. Буш, В.Н. Глазунов, А.М. Дворянкин, М.Ф. Зарипов, В.А. Камаев, К.В. Кумунжиев, А.И. Половинкин, С.А. Фоменков, И.Ю. Петрова, З. М. Шмаков, Г. Голл, Р. Коллер и другие отечественные и зарубежные ученые.
В работе взято за основу направление исследований, проводимых на кафедре САПР и ПК Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ). В рамках данной школы была разработана обобщенная модель описании ФЭ, включающая модель входной информации (входная карта) и модель выходной информации (выходная карта), создан фонд ФЭ, в котором содержится свыше 1200 описаний ФЭ, а также разработаны автоматизированные системы обработки БДФЭ (АСО БДФЭ): автоматизированная система синтеза ФПД (АСС ФПД), автоматизированная информационно-поисковая система по ФЭ (АИПС ФЭ), автоматизированная система поддержки процесса формирования информационного обеспечения БДФЭ (АС ППФИО).
Однако, задача организации удобного и эффективного взаимодействия различного типа пользователей с БДФЭ по-прежнему далека от своего полного решения. Среди наиболее актуальных проблем можно выделить следующие: отсутствие единой БДФЭ; отсутствие специальных инструментов администрирования БДФЭ; использование АСО БДФЭ по отдельности; дублирование функциональности систем; наличие только текстового описания в выходной карте ФЭ, отсутствие в ней графических и символьных изображений, формул, табличных данных; «жесткая» структура представления описания ФЭ.
Цель диссертационной работы. Целью данной работы является повышение эффективности процесса взаимодействия пользователей с БДФЭ за счет интеграции автоматизированных систем обработки БДФЭ в единый программный комплекс и улучшения восприятия отображаемой пользователю информации о ФЭ. Взаимодействие пользователей с БДФЭ включает в себя совокупность процессов управления БДФЭ администратором системы, реализации новых и модифицированных методов обработки БДФЭ разработчиками системы, выполнения поисковых и других запросов к БДФЭ конечными пользователями системы. В качестве критериев эффективности будем понимать как количественные критерии (время, затрачиваемое на информационное наполнение БДФЭ, внедрение новых видов обработки БДФЭ и т.п.), так и качественные (удобство работы пользователей).
Задачи исследования. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
анализ существующих моделей описания ФЭ, используемых систем обработки БДФЭ, подходов к интеграции систем;
модификация модели описания ФЭ с целью интеграции систем в единый комплекс и улучшения восприятия отображаемой пользователю информации о ФЭ;
разработка «гибкой» структуры представления описания ФЭ; разработка моделей и алгоритмов интеграции систем;
создание интегрированной системы обработки БДФЭ;
проверка работоспособности и эффективности реализованной системы.
Объект исследования - структурированные физические знания и автоматизированные системы на их основе.
Предмет исследования - процесс взаимодействия пользователей с БДФЭ.
Методы исследования. В работе использованы методы математического анализа, системного анализа, искусственного интеллекта, теории БД, теории многоагентных систем (МАС), объектно-ориентированного проектирования программных систем.
Научная новизна работы состоит в следующем:
модифицирована модель описания ФЭ за счет включения в нее формализации функциональной зависимости физических величин ФЭ, которая представляется в виде суперпозиции графических участков. Разработана методика и алгоритм создания набора графических участков функциональной зависимости физических величин ФЭ. Модель позволяет усовершенствовать дескрипторный метод поиска ФЭ по компонентам вход, объект, выход путем реализации запросов конечных пользователей по характеру изменения физических ве- личин (что важно для создания эффективного автоматизированного справочника физико- химических свойств веществ), а также более корректно строить варианты ФПД;
разработана «гибкая» структура представления описания ФЭ, позволяющая вносить изменения в описание ФЭ с сохранением работоспособности каждой из АСО БДФЭ. В результате изменения, вносимые для одной из систем, не влияют на работоспособность остальных;
разработана модель многоагентной системы обработки БДФЭ, включая модель агентов, модель взаимодействия агентов, роли агентов при взаимодействии. Модель МАС позволяет интегрировать АСО БДФЭ за счет разработки открытой распределенной системы, образованной несколькими взаимодействующими агентами, расширять функциональность системы за счет внедрения новых агентов, реализовать единую БДФЭ.
Обоснованность и достоверность результатов. Достоверность научных положений и результатов, приведенных в диссертационной работе, обеспечивается использованием апробированных на практике методов теории многоагентных систем, системного анализа, теории баз данных, математического анализа, а также подтверждается результатами проверки работоспособности и эффективности созданной системы на контрольных тестовых примерах.
Практическая значимость и внедрение. Разработана интегрированная автоматизированная система СОФИ II, выполняющая поиск ФЭ, информационное наполнение БДФЭ, синтез ФПД. Софи II реализована на базе многоагентной технологии. Это позволяет объединить АСО БДФЭ в единый комплекс, упростить процесс разработки новых и модифицированных видов обработки БДФЭ. Софи II предоставляет инструментарий для администрирования БДФЭ, благодаря чему стало возможным вводить графическую информацию, формулы, табличные данные, форматированное текстовое описание.
Использование Софи II позволяет повысить эффективность работы администраторов БДФЭ, разработчиков систем обработки БДФЭ, а также улучшить восприятие отображаемой пользователю информации о ФЭ.
Софи II зарегистрирована в отраслевом фонде алгоритмов и программ ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности» Федеральной службы по интеллектуальной собственности РФ, прошла апробацию и внедрение в ООО «Сингулярис Лаб» в рамках исследовательского проекта по компьютерному моделированию геофизических зондов, что отражено в соответствующем акте. Результаты работы использовались при выполнении Государственного контракта Министерства образования и науки РФ № 16.647.11.1025 от 2011 года «Создание базы физико-технических знаний и прогнозирование на ее основе появления новых нанотехнических систем». По материалам работы получено несколько дипломов на Всероссийских и региональных смотрах-конкурсах работ молодых ученых.
Положения, выносимые на защиту: формализация компьютерного представления функциональной зависимости физических величин ФЭ;
усовершенствованный дескрипторный метод поиска ФЭ по компонентам вход, объект, выход с учетом функциональной зависимости физических величин ФЭ;
«гибкая» структура представления описания ФЭ;
модель многоагентной системы обработки БДФЭ;
автоматизированная система СОФИ II и результаты ее тестирования.
Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "САПР и ПК" ВолгГТУ, а также на Международных и Всероссийских научных и научно-практических конференциях: "Технологии Microsoft в теории и практике программирования" (Москва, 2007, 2008, 2009); "Информационные технологии в обучении и производстве" (Камышин, 2007, 2008); "Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе" (Ялта-Гурзуф, 2009); "Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте" (Коломна, 2011); "Математические методы в технике и технологиях ММТТ-25" (Волгоград, 2012); "Международный конгресс по интеллектуальным системам и информационным технологиям" (Геленджик- Дивноморское, 2012); "Проблемы управления и моделирования в сложных системах" (Самара, 2012).
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 15 опубликованных работах. В том числе 6 статей напечатаны в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ; получено 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка литературы. Общий объем диссертации - 139 страниц, включая 30 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 114 наименований.
