Введение к работе
Актуальность темы обусловлена необходимостью дальнейшего повышения производительности труда за счет автоматизации основных процессов проектирования и экспертизы состояния современных высокоточных позиционных систем программного управления (ПСПУ) различными физико-химическими и информационными процессами (ФТП), в которых одна из основных технологических операций состоит в прецизионном позиционировании объектов различной физической природы. При этом большинство практически важных прикладных задач, например, в металлургии при обработке лазерным лучом деталей сложной конфигурации, в метрологии и картографии при сборе, обработке и распознавании визуальной информации, в медицине при облучении раковых опухолей и других, решается с помощью систем программного позиционирования оптических излучений различной физической природы.
Основные проблемы систем автоматизации проектирования (САПР) данного класса ПСПУ ФТП предопределены непрерывностью процесса их проектирования и необходимостью обеспечения постоянно возрастающих требований к их предельным характеристикам (не только к таким как точность и быстродействие позиционирования, но и к энергозатратам, массе, простоте и скорости перенастройки режимов позиционирования и т.п.). В процессе проектирования и эксплуатации ПСПУ ФТП лицу, принимающему решение (ЛПР, проектировщику, эксперту и др.) необходимо находить не оптимальные точки в пространстве решений, а допустимые области в этом пространстве или в терминах принципа минимальной (ограни^ ченной) сложности (ПМС) - ПСПУ должны быть технически оптимальными (ТО). Отличительной особенностью развития современных САПР является постоянный рост сложности соответствующих систем программного управления. Широкое использование САПР (CAD/САМ) в России и странах СНГ, таких как T-Flex, CadMech, КОМПАС и других, по сравнению с более мощными зарубежными САПР, такими как Cimatron, Unkjraphics, Pro/lngineer, CATIA и др., обусловлено не только дороговизной последних, но и тем, что первая группа САПР обладает свойством открытости и может быть хорошо адаптирована к решению специфических задач в конкретной предметной области (ПрО), а вторая - менее открыта и не обладает модулями для эффективной адаптации и применения в других ПрО. В то же время проблема проектирования ТО ПСПУ в каждой ПрО является сложной и чисто с математической
точки зрения. В процессе проектирования ПГПУ птиипги і Гіиііііімцгіі приме-
з Г >ос нмионАЛЬЙАЇТ
* I БИБЛИОТЕКА J
I C.nel*r«Wy Г* \
нения мощных систем математического моделирования и анализа таких как MatCad, MatLab, Maple, Statistics и др. Многие отечественные и зарубежные научно-исследовательские и проектные организации предпочитают использовать интегрированные многоуровневые САПР, которые представляют гибкое сетевое объединение различных модулей CAD/CAM/CAE. Применение подобных ИСАПР требует разработки математических моделей проектируемых систем в каждой ПрО. При этом ЛПР (пользователю, проектировщику, конструктору и т.п.) приходится подстраиваться под требования и возможности существующего программно-аппаратного обеспечения. На сегодняшний день, к сожалению, нет единой методологии автоматизированного синтеза и анализа подобных сложных СПУ, однако имеется подготовленная теоретическая и практическая база для ее разработки в виде теории систем, теории выбора и принятия решения, теории сложности и методов инженерии знаний, теории САПР, средств компьютерной графики, CASE и CALS технологий. Быстро развивающиеся системы с искусственным интеллектом (в т.ч. экспертные системы ЭС) позволяют ставить и решать задачи, связанные с автоматизацией сложно формализуемых этапов ИСАПР. Однако, несмотря на то, что ЭС начали использоваться в САПР, начиная с 1976г. (например, TEIRESIAS -САПР ЭС, SACON - САПР машиностроение, OPS5 - САПР вычислительных комплексов и др.), узким звеном, сдерживающим успешное применение ЭС, продолжают оставаться процессы автоматического синтеза моделей представления и получения знаний на основе наблюдения и анализа всего множества данных ИСАПР.
Процессы автоматизированного проектирования или синтеза (генерации) подоб
ных систем профаммного управления (или объектов интеллектуальной собственно
сти - ОИС) субъектами авторского права (в общем случае, ЛПР) основаны, как в ма
териальном, так и в интеллектуальном аспектах, на неизбежном их воспроизводстве,
как правило, на новой технологической базе, но всегда путем (или за счет) отожде
ствления каждой новой информационной технологии (ИТ) с предшествующей (ана
логом, прототипом и т.п.) и осуществляются в условиях неопределенности инфор
мации о состоянии проектируемого (или эксплуатируемого) объекта и ЛПР при раз
личного рода ресурсных офаничениях. В современных условиях становления ры
ночных отношений, жесткой конкуренции производителей и исключительности пра
ва, принадлежащего патентообладателю на подобные объекты промышленной соб
ственности (ОПС), особого внимания заслуживает проблема автоматизации основ
ных процедур проверки соответствия проектируемой ПСПУ условиям (критериям)
патентоспособности и соответствующих процедур патентования ПСПУ ФТП.
j ' "* ""' ~ -
В настоящее время наблюдается не только недостаток работ, посвященных решению вышеперечисленных проблем, но и отсутствие единого методологического подхода и теоретических основ проектирования и экспертизы состояния данного класса динамических и организационных процессов для синтеза эффективных интегрированных САПР.
Таким образом, сформулирован широкий перечень неисследованных проблем, объединенный единой целью повышения эффективности методов проектирования и экспертизы состояния сложных систем программного управления на основе создания нового поколения ИСАПР, обладающих интеллектуальными свойствами для внедрения в различных отраслях промышленности. .
Цель диссертационной работы - создание методов и инструментальных средств для автоматизации основных процессов проектирования и экспертизы состояния технически оптимальных ПСПУ, позволяющих упростить процедуры поиска решений ограниченной сложности на основных стадиях жизненного цикла ПСПУ ФТП.
Для достижения поставленной цели ставятся и решаются следующие задачи:
Исследование и анализ информационных технологий (ИТ) автоматизации проектирования и экспертизы состояния ПСПУ ФТП.
Разработка методов и моделей исследования эволюции ИТ средств промышленной автоматизации и САПР ПСПУ ФТП.
Разработка адаптивного программно-алгоритмического обеспечения для автоматизации мониторинга основных процессов проектирования и экспертизы состояния технически оптимальных ПСПУ ФТП.
Разработка инструментальных средств геометрического моделирования и обработки (сжатия, отображения, хранения и защиты) многомерных данных (многомерных параметрических зависимостей, многофакторных шкал сложности -МШС) в интегрированных САПР.
Реализация результатов теоретических исследований в виде проблемно-ориентированных инструментов интеллектуальной поддержки основных информационных процессов проектирования и экспертизы состояния ПСПУ.
При этом решение крупной научно-технической проблемы - создание единой методологической основы для формирования государственной автоматизированной системы сопровождения в сети ПСПУ (ОИС, ОПС), обеспечивается за счет теоретического обобщения и исследования проблем и прикладных задач поддержки ЛПР на основных этапах проектирования и экспертизы состояния (исследования,
разработки, патентования и эксплуатации) технически оптимальных ПСПУ различными ФТП.
Методы исследования основаны на использовании аппарата математического моделирования, теории нечетких множеств, теории сложности, теории и методов инженерии знаний, методов теории САПР, пространства состояния и вычислительной математики с использованием методологии структурного, объектно-ориентированного и крупноблочного параллельного программирования. При разработке инструментальных средств автоматизации процессов визуализации и обработки многомерных параметрических зависимостей используется аппарат функционального анализа, методы аппроксимации и интерполирования, теории номографии и геометрического моделирования.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные результаты, которые выносятся на защиту.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке проблемно-адаптивной концепции проектирования и экспертизы состояния ТО ПСПУ, на основе применения и развития методологии и научных основ принципа сложности в теории построения интегрированных САПР.
Предлагаемая концепция включает
новью научно-технические положения, математические модели и методы, образующие в совокупности теоретические основы проблемно-адаптивного подхода к автоматизации основных процессов проектирования и экспертизы состояния нелинейных нестационарных систем профаммного управления в условиях неопределенности информации и офаниченности ресурсов разного вида;
новые инвариантные в рассматриваемом классе инструментальные средства для автоматизации процессов геометрического моделирования и обработки (сжатия, отображения, накопления и защиты) многомерных данных, обеспечивающие биективное (взаимно-однозначное) сечение и визуализацию исследуемого многомерного пространства параметров на плоскости в адекватной для зрительного восприятия в ИСАПР;
объектно-ориентированную технологию проектирования ПСПУ, обеспечивающую оптимизацию основных процессов экспертизы состояния нестационарных существенно нелинейных систем профаммного управления на основе эффективного применения принципа минимальной (офаниченной) сложности.
В рамках разработанного подхода получены и представлены к защите следующие основные научные результаты:
Методы проектирования и экспертизы состояния ТО ПСПУ на основе использования единого методологического и математического аппарата дифференциально-разностных систем уравнений запаздывающего типа с нестационарными существенно нелинейными функциями.
Формализация процесса квантификации (сведения качественных экспертных характеристик к количественным) средств промышленной автоматизации на основе синтеза нечетких существенно нелинейных функций пространства параметров проектирования и экспертизы ПСПУ в интегрированных САПР.
Методы генерации (автоматизированного проектирования) вычислительных процедур исследования нелинейных нестационарных ПСПУ во временной области на основе учета многорежимности и разнотемповости динамических процессов программного позиционирования объектов различной физической природы.
Метод автоматического контроля корректности нечетких дискретных моделей существенно нелинейных нестационарных систем программного управления и регулирования в ИСАПР.
Теория и методы геометрического моделирования и обработки многомерной числовой информации в ИСАПР, позволяющие взаимно-однозначно отображать на плоскости многомерные числовые зависимости в виде чебышевских номограмм из выравненных точек, представить в памяти ЦВМ многомерную числовую информацию в виде упорядоченных иерархических списков и учитывать эвристические способности проектировщика, возлагая на ЛПР простые функции, связанные с распознаванием и анализом на плоскости бинарных полей графо-аналитических вычислительных таблиц.
Конструктивные и схемотехнические решения новой системы подвижно-взаимосвязанной системы координат в виде чертежно-графических приборов и сетевых средств для многоуровневого измерения, обработки, регистрации и геометрического моделирования различных информационных процессов, обеспечивающие визуализацию параметров многомерных взаимосвязанных процессов САПР ПСПУ в реальном масштабе времени.
Структура имитационной модели для идентификации динамических процессов, происходящих в ПСПУ на основных этапах их жизненного цикла.
Методика автоматизированного проектирования и синтеза интерактивных алгоритмов обучения экспертов ПСПУ в ИСАПР на основе эффективного использования современных открытых сетевых технологий.
9. Методы и модели оптимизации основных этапов новой информационной технологии проектирования и экспертизы состояния ПСПУ, обеспечивающие автоматизацию процедур параметрической квантификации и синтеза проблемно-ориентированных информационно-поисковых объектов в ИСАПР ПСПУ, применяемых в различных отраслях народного хозяйства.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
Методология автоматизированного проектирования технически оптимальных ПСПУ;
Технология геометрического моделирования и визуализации многомерных зависимостей в ИСАПР ПСПУ ФТП;
Алгоритмическое и программно-аппаратное обеспечение организации процессов проектирования и экспертизы состояния технически оптимальных ПСПУ.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов, полученных в диссертационной работе, подтверждается: приведенными в работе теоретическими и экспериментальными сведениями, с использованием методов и средств вычислительной техники, а также разработанного аналитического и программно-аппаратного обеспечения, апробированных на цифровых, полунатурных и натурных объектах; 30-летней практикой проектирования, исследования, эксплуатации и государственной патентной экспертизы СПУ различного назначения, внедрением основных результатов работы в промышленность, которые позволили получить экономический эффект.
Практическая значимость работы состоит в создании комплекса инструментальных средств в виде методов, алгоритмов, моделей и инженерных методик, предназначенных для автоматизации основных этапов проектирования и экспертизы состояния ПСПУ на основе эффективного применения ПМС, а также для синтеза персонифицированного интерфейса ЛПР-ЭВМ, позволяющего в широком классе приложений рационально использовать возможности проектировщика (ЛПР) и ЭВМ в ИСАПР. Практическая ценность работы определяется внедрением результатов исследований на промышленных объектах и в учебных процессах. Развитые в диссертации подходы, методы и полученные результаты создают теоретическую и методологическую основу для автоматизации основных процессов проектирования (ИСАПР) и экспертизы состояния ПСПУ в условиях неопределенности технологической подготовки производства (АСТПП) с учетом влияния средств взаимодействия проектировщик - система (субъектов и объектов среды проектирования), квалификации ЛПР, ограниченности материальных и других ресурсов.
Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы вошли в состав автоматизированных систем проектирования, управления и контроля различными технологическими и информационными процессами в 5 научно-исследовательских, 14 промышленных и 4 учебных организациях, защищены 16-ю авторскими свидетельствами на изобретения и патентом, реализованы в виде алгоритмического и программного обеспечения технических систем и аппаратных средств для биективного отображения, сжатия, регистрации и геометрического моделирования многомерной числовой информации, способов управления системами и устройствами различного назначения и внедрены при проведении научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ, выполненных по хоздоговорной и госбюджетной тематикам в различных организациях.
Фактический экономический эффект от внедрения разработанных инструментальных средств только за период 1998 - 2000 гг. составил два миллиона триста сорок тысяч (2 340 000) рублей. (Справки и акты о внедрении приведены в приложении).
Материалы диссертационной работы использованы при чтении лекций и выполнении практических работ по курсу "Теория управления" в МТУСИ (1999-2000 уч.год) и используются в процессе чтения лекций и проведения практических занятий по курсу "Электротехнические устройства" на кафедре "Радиоприборы" МИРЭА (акт о внедрении от 18.06.1999 г.), в МИЭМ - по курсу "Компьютерное право" http:/Awshp.boom.ru/ matr/ pln.htm: компанией "SOFTLINE" в программе курса "Методы и модели экспертизы объектов интеллектуальной собственности в сети Internet на базе инструментальных средств MATLAB" mil .asp.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на многих Международных и Всероссийских конференциях: Всероссийской научной конференции "Проектирование научных и инженерных приложений в среде MatLab" (Москва, ИПУ РАН им. В.А.Трапезникова, 2002); 4-th International Conference and exhibition on "Digital Signal Processing and Its Applications" (2002, Moscow, Institute of Control Sciences); International Conference "Parallel Computations and Control Problems (PACO'2001)" (2001, Moscow, Institute of Control Sciences); Vlll-X международных конференциях "Проблемы управления безопасностью сложных систем" (Москва, ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова, 2000, 2001, 2002); 1-й Московской конференции "Декомпозиционные методы в математическом моделировании" (Москва, ВЦ РАН, 2001); Второй международной научно-практической конференции "Математическое моделирование в науке, образовании и
промышленности 2001" (Тирасполь, 2001); Международной научно-технической конференции "Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и систем искусственного интеллекта" (Вологда, ВоГТУ, 2001); 10-th International Conference on Computer Graphics and Vision GraphiCon'2000 (2000, Moscow, Keldysh Institute of Applied Mathematics); Международных конференциях "Научный сервис в сети Интернет" (Москва - Новороссийск, НИВЦ МГУ им. М.В. Ломоносова, сентябрь 1999, 2000); "Математические методы распознавания образов (МММРО - 9, 10)" (Москва, ВЦ РАН, 1999, 2001); International Scientific Conference "System Identification and Control Problems (SICPRO '2000)" (2000, Moscow, Institute of Control Sciences); International Scientific and Technical Conference "System Problems of Quality, Mathematical, Modeling and Information Technologies" (Sochi, 1999, 2000); IY-m Международном симпозиуме "Интеллектуальные системы" (IN-TELS'2000), (Москва, 2000, МГТУ им. Н.Э. Баумана); Международных форумах информатизации (МФИ-1993, 1998, 1999, 2001) - международных конгрессах "Информационные технологии" (Москва, 1993), "Коммуникационные технологии и сети" (CTN-98, 99, 01, 02) (Москва, 1998, 1999, 2001, 2002); ... И-м и Ш-м Всесоюзных совещаниях по автоматизации проектирования систем автоматического и автоматизированного управления технологическими процессами (Челябинск, 1978; Иваново, 1981) и на других научно-технических советах и семинарах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 84 научных работ, из них 2 монографии и 4 отдельных изданий, 62 статьи и материалов докладов, 16 авторских свидетельств на изобретения и патент РФ, в том числе 2 монографии, 2 брошюры, 37 статей и 8 изобретений общим объемом 52 п.л. выполнены без соавторов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть работы изложена на 250 страницах. Работа содержит 90 рисунков и 4 таблицы.
Автор выражает глубокую благодарность профессору, д.т.н. Кофанову Ю.Н., профессору, д.т.н. Солодовникову И.В. и профессору, д.ф.-м.н. Шикину Е.В. за научные консультации и методическую помощь при выполнении работы.
