Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В системах автоматизированного проектирования (САПР) существенную часть составляет геометрическая и чертежно-графическая информация, в частности, в САПР изделий машиностроения и точного приборостроения - до 70. Логический анализ этой информации непосредственно влияет на процессы принятия конст-рукторско-технологических решений. Поэтому для повышения эффективности и успешного решения различных задач САПР в логико-информационной вычислительной системе, необходимо прежде всего научить ее распознавать и логически анализировать геометрическую информацию.
В настоящее время в нашей стране широко распространены системы машинной графики и геометрического моделирования, разработанные за рубежом, например, ANV1LL (США), EUQLID (Франция), MEDUSA (США), AUTOCAD (США) и в СССР, например, СНМАК (МЭИ, Москва), ГРАФОР (ИПМ АН СССР, Москва), ФАП-КФ (НТК АН БССР, Минск), РЕДГРАФ (ВЦ АН СССР, Москва), СМОГ-85 (ВЦ СО АН СССР, Новосибирск), ГРАФИКА (ЦПУ АН СССР, Москва), СПИЧ (НИИ ПМК АН СССР, Нижний Новгород), ДНОМ (ЛОЭП "СВЕТЛАНА", Ленинград), которые применяются для конструирования объектов и выпуска чертежей. Некоторые из них позволяют одновременно выполнять инженерные расчеты (кинематичские, прочностные) и готовить управляющие программы для станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Однако они не дают возможности осуществлять комплексную автоматизацию проектирования начиная с анализа технического задания и кончая изготовлением, поскольку не связаны концептуально с современной парадигмой построешія баз знаний и экспертных систем,не приспособлены для логического анализа информации и принятия решений, что снижает эффективность CAllF.
Задачи конструкторской и технологической подготовки производства в значительной степени связаны с анализом геометрических форм деталей: выбор, кинематической схемы, анализ размерных цепей, проектирование приспособлений, штампов, преесформ, формнрогапиэ планов технологических операций и переходов и т.п. Чтобы иметь возможность решать эти задачи на ЭВМ, система описания деталей должна учитывать те логические и, в некоторой степени, эвристические взаимосвязи, которые присущи творчеству человека.
Чертежно-графическая информация по сравнению с другими видами информации обладает рядом специфических особенностей: болыим
объемом и сложными отношениями, динамичностью иерархических структур, меняющихся в зависимости от специфики решаемых задач, трудностью автоматического выделения классифицирующих (поисковых) признаков. Поэтому системы управления базами данных (СУБД), широко применяемые в коммерческих приложениях и АСУП, редко используются в среде САПР. Бурно развивающаяся концепция баз знаний и умений (Виноград Т., Уинстон П., Минский М., Клещев А. С, Кузнецов А. П., Нариньяни А. С, Попов Э.В. , Поспелов Д. А., Цейти'н Г. С.) повидимому в ближайшее время будет пополняться методами представления и синтеза знаний, касающихся сложноструктурированной информации о проектируемых объектах.
Эффективность современных САПР во многом зависит от простоты и естественности графического диалога в процессе конструирования, возможности автоматического анализа геометрической информации и синтеза новых объектов с учетом требований унификации и стандартизации. Следует избавить конструктора от необходимости изучения несвойственных характеру его деятельности графических языков.
Наконец, в условиях неуклонно ускоряющегося научно-технического прогрессе постоянно растут требования к времени разработки новых САПР, адаптируемости их к меняющимся условиям производства и квалификации пользователей. Для сокращения времени разработки САПР нужно теперь не просто автоматизировать труд программистов (Ершов А.П., Лаєров С.С, Нєпейвода Н.Н., Тыугу Э.Х.), требуется комплексно решать задачи автоматического синтеза частных баз знаний, сценариев инженерного диалога и программ проектирования объектов заданного класса в заданных условиях.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Разработка теории и средств синтеза частных баз знаний, сценариев графического инженерного диалога по проектированию объектов заданного класса и объектно ориентированных САПР, направленных на углубление теории экспертных САПР и решение народно-хозяйственной проблемы создания эффективных инструментальных средств для разработчиков САПР.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: 1. Определить принципы организации базы геометрических данных и конструкторско-технологических знаний, а также концептуально единые >. ними методы выявления закономерностей, систематизации знаний ,и адаптации к специфике производства и квалификации пользователя.
3, Разработать методы логического анализа и распознавания гео метрической информации и их теорию для выбора аналогов в базе знаний САПР, оценки степени сходств и установления соответствия между элементами проектируемого объекта и аналогов.
-
Разработать логико-геометрические модели объектов, ориентированные на концептуальное проектирование, т.е. приспособленные как для геометрического моделирования, так и для логического анализа с целью принятия конструкторско-гехнологических решений.
-
Разработать методы синтеза плана проектирования нового объекта и частной базы знаний для проектирования объектов заданного класса.
-
Разработать научно-методические основы и рекомендации по практическому применению методов логического анализа геометрических данных и связанных с ними инженерных знаний, а также методов синтеза частных баз знаний,' планов проектирования, сценариев графического инженерного диалога и объектно ориентированных САПР.
НАУЧНУЮ НОВИЗНУ представляют:
-
Принципы организации знаний об объектах, закономерностях, методах, проектных решениях, представляющие собой единую концептуальную основу для вербализации, анализа, вывода и адаптации сложноструктурированных, динамичных знаний опредметной области и'проектируемых объектах,
-
Методология поиска закономерностей, адаптации базы знаний к специфике задач, анализа и распознавания моделей объектов и их элементов с заданной точностью и степенью абстрагирования в условиях сложных взаимоотношений между геометрической и конструктосс--ко-технологической информацией.
-
Лингвистическая модель, представляющая собой план конструирования объекта, которая обеспечивает компактное хранение геометрической и связанной с ней конструкторской информации, лостроениэ различных геометрических моделей и, в то же время, удобни для анализа и принятия проектных решений.
-
Метод построения логико-геометрической модели детали путем семантического анализа машиностроительного чертежа или эскиза,Формирования и доказательства гипотез о типах поверхностей,позволяющей повысить степень автоматизации работ при вводе геометрической информации в ЭВМ, в частности, при использовании чертежей из архивов.
-
Методы логико-геометрического моделирования совместного поведения и синтеза траекторий движения объектов трехмерной сцени, основанные на аппарате теории множеств (растровые алгоритмы), обеспечивающие простоту, рекурсивность и распараллеливание.
-
Метод расчета геометрических параметров объекта по эскизу путем эвристического выбора размерных отношений и расчетных процедур, позволяющий существенно сократить объем памяти и упростить анализ необходимости и достаточности заданных размеров, пошаговую проверку правильности расчета и обучение пользователя.
-
Метод логического синтеза сцеьария графического инженерного диалога как плана проектирования конкретного класса объектов, использующий концепцию памяти эпизодов и метод индукции, основанный на сходстве геометрических моделей и связанной с ними конст-рукторско-технологической информации.
-
Методология решения некоторых задач синтеза объектно ориентированных САПР путем распознавания и логического анализа аналогов, синтеза частной базы знаний и плана проектирования нового объекта из планов аналогов, корректировки плана по результатам логико-геометрического моделирования поведения объектов трехмерной сцены и логического вывода новых подпланов.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: .
принципы организации знаний об объектах, закономерностях, методах, проектных решениях, представляющие собой единую концептуальную основу для вербализации, анализа, вывода и адаптации сложноструктурированных, динамичных знаний о предметной области и проектируемых объектах;
модель знаний об объекте в виде графа, отображающего , цель, Функциональное, морфологическое, атрибутивное описания и план построения объекта;
структура системы знаний об объектах, закономерностях, ме- , тодах и типовых решениях, сочетающая свойства иерархическихі сетевых и фреймовых моделей знаний;
методы идентификации систем знаний, классов образов, распознавания образов и оценки сходства логико-геометрических моделей путем выявления общей гомоморфной части графов анализируемых объектов; операции пбиска закономерностей и принципы адаптации к специ-
,фнке производства;
система логико-геометрических моделей, предназначенная для решения задач трехмерной машинной графики, логического анализа, распознавания и геометрического моделирования поведения объектов трехмерной сцены;
графический язык описания трехмерных сцен, деталей и сборок иэ объектов, построенных по кинематическому принципу, отличающийся динамической параметризацией" порождающего контура до или в ходе формообразующего движения и автоматическим уточнением пространственных компоновок по межобъектным размерам;
метод построения логико-геометрической модели детали по информации машиностроительного чертежа или эскиза, отличающийся способом формирования и подтверждения параметров поверхностей детали;
методы логико-геометрического моделирования совместного поведения и синтеза траекторий движения объектов трехмерной сцены, основанные на аппарате теории множеств (растровые алгоритмы);
методология синтеза планов проектирования объектов заданного класса и сценариев инженерного диалога, заключающаяся в поиска аналогий, сшивании графов планов-аналогов, их параметрическом синтезе и логическом выводе новых подпланов;
архитектура Системы Графического Инженерного диалога, включающая управляющую программу, лингвистический процессор, подсистему анализа машиностроительных чертежей, синтезатор планов проектирования, процессор геометрических моделей, решатель геометрических задач, систему управления базой геометрических данных и инженерных знаний, интерфейсы с прикладными программами и банками данных;
укрупненный алгоритм проектирования в САПР "Прессформа", отличающийся автоматизацией процессов выбора аналогов и синтеза сценария графического инженерного диалога для проектирования нового объекта.
СВЯЗЬ С ГОСУДАРСТВЕННЫМИ ПРОГРАММАМИ И НИР. Материалы, изложенные в диссертации, получены в результате работы чад восэиью хоздоговорными и госбюджетными НИР б период с 1381 по 1993 годы. Эти НИР выполнялись в соответствии с Постановлениями отраслевых министерств и соответстьующими Приказами Минвуза РСФСР, ГК НВШ РСФСР; Комплексной программой научно-технического прогресса стран С^В на период до 2000 года (задание 1.2.2.4.2. Организация и автоматизация логико-информационных аспектов инженерной деателыюсги в мпич-
построении и направление 2.2.1. Системы автоматизированного проектирования); по Договору от 07.12.88 о трехстороннем содружестве между Высшим Машинно-Электротехническим институтом. (София, НРБ), институтом Математики и Механики Уро АН СССР и Ижевским механическим институтом Минвуза РСФСР; по межвузовской научно-технической программе 12.11. "Перспективные информационные технологии в высшей школе Министерства науки, высшей школы.и технической политики РФ.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ полученных результатов заключается в создании на их основе эффективных инструментальных средств для разработчиков САПР:
1. Графический язык Описания Трехмерных Сцен (ОТС), близкий к естественному и ориентированный на концептуальное (эскизное) конструирование, в котором геометрический образ детали (сборки) строи-, тся из естественных для конструктора объемных понятий - призм и тел вращения с произвольным порождающим контуром, типовых конструктивных элементов, изоморфных и динамически параметризуемых тел, путем эскизирования объектов, составляющих детали, и эскизной пространственной компоновки.
2. Инструментальная экспертная система Графического Инженерного Диалога(ГИД),содержащая инвариантные и самостоятельно используемые подсистемы: лингвистический процессор, систему управления базой графических данных и инженерных знаний, геометрический процессор, подсистемы оформления машиностроительных чертежей, спецификаций, размерной параметризации чертежей и моделей, разработки проблемно-ориентированных графических языков, подсистему синтеза и диалоговой переналадки сценариев графического інженерного диалога по проектированию и исследованию объектов заданного класса и частных баз знаний для объектно ориентированных САПР, исполнительную систему (интерпретатор) планов пректирования и исследования.
Полученные в диссертационной работе алгоритмы к практические результаты могут быть самостоятельно использованы для автоматизации широкого спектра конструкторско-технологических работ.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. На основе предложенных методов и ал-
горт.юв на кафедре Систем автоматизированного проектирования Иже-
.вского механического института под руководством и при непосредст-
венном участии автора разработана система ГИД графического инженерного диалога, которая является компактным и эффективным инструментальным средством синтеза объектно ориентированных САПР изделий общемашиностроительного применения, адаптирующихся к специфике задач и квалификации пользователя и обеспечивающих концептуальное проектирование по технологии "сверху - вниз".
Отдельные подсистемы ГИД в качестве инвариантных средств САПР внедрены на ПО "Боткинский машиностроительный завод", "Ихтяжбум-маш", ПО "Ижевский механический завод", НПО "РИТМ" (С.-Петербург), а также в учебном процессе Ижевского механического института, Санкт-Петербургского института точной механики и оптики.
На базе системы ГИД кафедрой САПР Ижевского механического института, кафедрой теоретической физики Удмуртского Государственного университета и лабораторией САПР ПО "Ижевский механический завод" создана и внедрена САПР "Прессформа", позволившая автоматизировать проектирование прессформ для литья по выплавляемым моделям и моделирование процессов кристаллизации материала отливок.
Суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов составил свыше 500 тыс.руб.- Он получен благодаря:
сокращению трудоемкости и повышению производительности труда разработчиков САПР за счет автоматизированного синтеза программ и баз знаний - (ориентировочно) в 5 раз;
сокращению ресурсов оперативной и дисковой памяти на рабочем месте проектировщика благодаря целенаправленному синтезу из общей базы декларативных и императивных знаний частной базы знаний, ориентированной на Проектирование объектов заданного класса;
повышению производительности труда пользователей САПР за счет повышения степени автоматизации при генерации банков данных, описании пространственных геометрических моделей и их размерной параметризации, описании планов проектирования и исследования - на 10 - 30)8, в зависимости от состава задач пользователя.
Кроме того достигается:
повышение качества исследований за счет "помощи" в выборе прототипов, использования накопленного опыта, заимствования и унификации конструкторско-технологических решений.
повышение комфортности труда пользователей САПР благодаря близкому к естественному языку описания трехмерных сцен, адаптации системы к специфике задач и квалификации пользователя.
Рукопись "Организация банка геометрических данных", написанная по материалам диссертационной работы, рекомендована Головным научно-методическим советом по специальности 22.03. "Системы автоматизированного проектирования" к централизованному изданию в качестве учебного пособия для студентов этой специальности.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Содержание и основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной научной конференции "Методологические проблемы математического и информационного обеспечения АСУ" (Москва, 1979); Всесоюзной конференции "Семантика естественных и искусственных языков в специализированных системах" (Ленинград, 1979); 1,11,IV,VI Всесоюзных научно-технических семинарах "Математическое обеспечение систем с машинной графикой" (Ижевск, 1979, 1986, 1988, 1989); I, II, III Всесоюзных конференциях "Методы и средства обработки сложной графической информации" (Горький, 1983, 1985, 1988); Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка и внедрение систем автоматизированного проектирования" (Ижевск, 1981); Всесоюзном симпозиуме "Зрение срганизмов ч роботов" (Вильнюс, 1985); Всесоюзной конференции "Автоматизированное проектирование в машиностроении" (Устинов, 1985); Всесоюзной конференции "Компьютеризация информационных процессов в управлении народным хозяйством" (Москва, 1989); Всесоюзном семинаре "Применение машинной графики в моделировании и обучаюших системах" (Пенза, 1989); Всесоюзной конференции "Диалог * человек-ЭВМ" (Свердловск, 198Э); II болгаро-советском научном семинаре "Закономерности техники и их применение" (Созопол, НРБ, 1989); международном симпозиуме "INFO-89" (Минск, 1989); Международной выставке-семинаре "Компъютерная геометрия и графика в образовании" (Нижний Новгород, 1993).
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликованы 2 монографии, 33 статей и докладов, получено одно авторское свидетельство СССР, а также написано при научном руководстве автора 8 отчетов по НИР.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, приложений. Она изложена на 294 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков, 3 таблицы. Список использованной литературы включает 155 наименований.
