Введение к работе
Актуальность темы исследования. Анализ САПР систем автоматизации непрерывных технологических процессов российских (САПР-АЛЬФА, SchematiCS, AutomatiCS) и зарубежных (CADElectro, E3.series, Promise, EPLAN) разработчиков показал, что указанные САПР в рамках одного проекта обеспечивают проработку единственного варианта технической реализации системы и автоматизированное формирование для него проектной документации.
Для повышения качества проектного решения необходим анализ и оценка нескольких вариантов технической реализации системы автоматизации (СА) с помощью критериев, характеризующих функциональные и эксплуатационные свойства схем. Применение существующих САПР для создания множества вариантов технических реализаций СА не обеспечивает его достаточную полноту и увеличивает время проектирования. Вопросы автоматизации процесса формирования схем автоматизации рассматривались в работах Емельянова С.В., Цветкова В.Д., Салина А.Г., Целищева Е.С., Ахремчика О.Л., Филатовой Н.Н., Бодрина А.В., Федорова А.Н. и др. Структуры, предложенные ими для описания объекта проектирования, а также предлагаемые технологии и алгоритмы структурного синтеза позволяют получать единственный вариант технической реализации СА. Для сравнительной оценки нескольких вариантов используются критерии, требующие применения большого объема экспертной информации.
Для автоматизации процесса формирования множества вариантов технических реализаций СА необходимо создание специального генератора схемных решений.
Информация, содержащаяся в архиве САПР, в дальнейшем не систематизируется и используется только для создания фрагментов новых проектных решений. Однако включение в САПР генератора схемных решений приведет к расширению архива, что обеспечивает возможность на основе интеллектуального анализа, в частности, обобщения схем, автоматизировать процедуры расширения базы знаний (БЗ) САПР.
Обычно БЗ создается в ходе разработки САПР, и вопросы ее коррекции решаются только с помощью экспертов или лица, принимающего решения. Этот подход к интеллектуализации САПР получил развитие в виде экспертных подсистем или подсистем поддержки принятия решений (Поспелов Г.С., Боженюк А.В., Малышев Н.Г., Берштейн Л.С., Чичварин Н.В. и др.). Сохранение результатов генерации проектных решений позволяет по-новому организовать работу с БЗ САПР, реализуя не только извлечение из нее информации, но и автоматическое расширение БЗ результатами анализа созданных схем.
Таким образом, актуальным вопросом является создание интеллектуальной САПР, на основе результатов разработки технических реализаций систем автоматизации технологических процессов осуществляющей автоматическое пополнение базы знаний.
Объектом исследования являются средства интеллектуализации САПР систем автоматизации непрерывных технологических процессов.
Предметом исследования являются методы и алгоритмы решения задач генерации схем автоматизации непрерывных технологических процессов и обобщения схемных решений.
Целью исследования является повышение эффективности средств проектирования систем автоматизации непрерывных технологических процессов на основе создания интеллектуальной САПР с развивающейся базой знаний.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Исследовать методы и алгоритмы структурного синтеза технических решений и обобщения объектов, заданных структурными признаками.
-
Разработать метод автоматического формирования множества альтернатив функциональных схем как элементов объема понятия о заданной структурной схеме.
-
Создать новую систему количественных признаков для описания особенностей структуры схем автоматизации.
-
Разработать алгоритмы расширения базы знаний САПР систем автоматизации на основе автоматического обобщения схемотехнических решений, возникающих в процессе функционирования системы.
-
Создать интеллектуальную САПР систем автоматизации с развивающейся базой знаний, обеспечивающую генерацию и обобщение схемных решений.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использован аппарат теории графов, методы морфологического синтеза, теория приближенных множеств, основные положения теории интеллектуальных систем и баз данных.
Научная новизна:
-
Разработан метод автоматической генерации функциональных схем на основе новой модели представления множества вариантов цепей схем автоматизации – дерева схемотехнических решений.
-
Разработана новая система признаков (K) для оценки структурных особенностей систем автоматизации, включающая 12 количественных характеристик.
-
Разработан алгоритм решения задачи обобщения функциональных схем, позволяющий выделять наиболее существенные с точки зрения эксперта признаки и тем самым формализовать в явном виде в пространстве K его предпочтения.
-
Предложена методика и алгоритм автоматического формирования продукционных правил генерации функциональных схем, основанных на обобщениях цепей.
-
Разработан алгоритм оценки свойств базы знаний, автоматически расширяющейся в процессе функционирования САПР.
Достоверность научных результатов подтверждается: верификацией программно реализованных теоретических положений и сравнением результатов генерации схем с известными из литературы проектными решениями; совпадением отдельных схем из результата генерации с решениями, предлагаемыми разработчиками промышленных контроллеров; согласованием посылок продукционных правил БЗ САПР с описанием типовых проектных решений, предлагаемых разработчиками технических средств автоматизации (ТСА).
Практическая значимость работы заключается в том, что созданные программные средства позволяют сократить время на разработку схемных решений и повысить их качество за счет увеличения числа анализируемых вариантов технических реализаций схем, которые генерируются автоматически. Проектировщику обеспечивается возможность проработки вариантов реализации схем на различных управляющих устройствах и автоматической генерации принципиальных электрических схем.
Предложенные алгоритмы обобщения и формирования продукций позволяют на основе анализа архива САПР расширять базу знаний новыми правилами генерации схемотехнических решений.
Создана интеллектуальная САПР схем автоматизации, отличающаяся наличием модуля генерации схемотехнических решений и модуля их обобщения, предназначенного для автоматического расширения БЗ САПР набором продукционных правил построения измерительных и исполнительных цепей.
Положения, выносимые на защиту:
-
Постановка задачи синтеза функциональных схем как задачи генерации объема понятия о структурной схеме.
-
Метод и алгоритмы автоматического формирования множества функциональных схем систем автоматизации.
-
Автоматическое расширение базы знаний САПР на основе обобщения цепей схем автоматизации.
-
Архитектура разработанной интеллектуальной САПР схем систем автоматизации.
Реализация и внедрение результатов исследований. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использовались в ряде госбюджетных НИР, проводимых по тематическому плану ТвГТУ: «Разработка фундаментальных основ создания интеллектуальных обучающих и управляющих систем» (2010-2011 гг.), «Исследования в области высокопроизводительных реализаций имитационных моделей в распределенных вычислительных средах» (2012 г.). Результаты работы переданы в ЗАО НИИ «Центрпрограммсистем» для использования в производственном процессе. Материалы диссертации внедрены в учебный процесс кафедры «Автоматизация технологических процессов» ТвГТУ для проведения лабораторных и практических занятий по курсу «Автоматизированное проектирование систем управления».
Апробация работы. Основные результаты, полученные в ходе исследования, докладывались и обсуждались на международной школе-семинаре по искусственному интеллекту «Интеллектуальные системы и технологии: современное состояние и перспективы» ISyT'2011 (г. Тверь, ТвГТУ, 2011 г.), международных конгрессах по интеллектуальным системам и информационным технологиям AIS-IT'11, AIS-IT'12 (пос. Дивноморское, ЮФУ, 2011-2012 г.), XXV международной научной конференции Математические Методы в Технике и Технологиях ММТТ-25 (г. Волгоград, ВолгГТУ, 2012 г.), III международной научно-технической конференции «Открытые семантические технологии проектирования интеллектуальных систем» OSTIS-2013 (г. Минск, БГУИР, 2013 г.), VII международной научно-практической конференции «Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте» (г. Коломна, 2013 г.).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 14 источниках, включающих 6 статей в сборниках научных трудов и журналах, в том числе 3 в журналах, включенных в перечень ВАК, 6 материалов конференций, 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений, списка литературы, включающего 113 наименований, 5 приложений, изложена на 243 страницах машинописного текста; содержит 59 рисунков и 42 таблицы.
Похожие диссертации на Интеллектуальная САПР схем автоматизации с развивающейся базой знаний
