Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 12
1.1. Состояние исследований в области информационных технологий и систем 12
1.2. Состояние исследований в области надежности деталей машин и конструкций 20
1.3. Современные подходы к процедурам поддержки принятия решений, структуре СППР
и способам их создания 28
Выводы 34
2. Разработка концепции и методологии исследования 35
2.1. Методика автоматизированного решения задачи идентификации технического состояния деталей машин и конструкций 35
2.2. Концепция проблемно-ориентированного инструментального средства 41
2.3. Методика создания проблемно-ориентированного инструментального средства 45
Выводы 51
3. Моделирование и проектирование проблемно-ориентированного инструментального средства 53
3.1. Анализ требований к функциональности 53
3.1.1. Пользователи 53
3.1.2. Функции интеллектуальных систем 54
3.1.3. Функции проблемно-ориентированного инструментального средства 57
3.2. Концептуализация данных и знаний 61
3.2.1. Объект 62
3.2.2. Техническое состояние 62
3.2.3. Параметры технического состояния 63
3.2.4. Процесс деградации и его параметры 64
3.2.5. Причины процесса деградации 65
3.2.6. Мероприятия и последствия 66
3.3. Формализация данных и знаний 67
3.3.1. Прецедентная модель представления знаний 67
3.3.2, Продукционная модель представления знаний 71
3.4. Проектирование программного средства для работы с данными и знаниями предметной области 74
3.4.1. Алгоритмическое обеспечение 74
3.4.2. Графический интерфейс пользователя... 88
3.4.3. Управляющие классы 94
3.4.4. База данных прецедентов 91
3.4.5. База знаний , 100
3.4.6. Архитектура 101
Выводы 103
4. Программная реализация проблемно-ориентированного инструментального средства 104
4.1. Прецедентная экспертная система 105
4.2. Продукционная экспертная система 106
4.3. Модуль генерации отчетов 107
4.4. Интерфейс 109
Выводы 109
5. Создание и применение прикладной интеллектуальной системы поддержки принятия решений (ИС ППР) 110
5.1. Методика создания ИС ППР при помощи инструментального средства ПО
5.2. Создание ИС ППР при помощи разработанного инструментального средства 112
5.3. Применение ИС ППР для решения предметных задач 118
5.3.1. Определение причин изменения технического состояния деталей (причины инцидента) 118
5.3.2. Прогнозирование технического состояния деталей 126
5.3.3. Обоснование и/или выбор мероприятий по предотвращению технического состояния деталей, приводящего к отказам механических систем 128
Выводы ,...129
Заключение 130
Список литературы
- Состояние исследований в области надежности деталей машин и конструкций
- Концепция проблемно-ориентированного инструментального средства
- Функции проблемно-ориентированного инструментального средства
- Продукционная экспертная система
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Проблема повышения эффективности и качества разработки прикладных программных систем все еще является актуальной и решается в различных направлениях: от совершенствования методики (методологии) разработки до создания специализированного инструментария, автоматизирующего данный процесс.
Совершенствование процесса разработки прикладных программ, за счет использования специализированного инструментария, связано с необходимостью создания такого инструментария применительно к различным предметным или проблемным областям. При этом наибольшая эффективность решения проблемы достигается тогда, когда программный инструментарий моделируется, проектируется и реализуется путем применения, релевантных к решаемым задачам и этапам создания, набора новых информационных технологий и инструментальных систем.
Одной из прикладных задач, требующей для своего эффективного решения создания прикладных программных систем, в том числе использующих знания и накопленный опыт предметных специалистов, является задача автоматизированной идентификации технического состояния деталей машин и конструкций. Причем машины и конструкции могут принадлежать к различным видам и типам. Точная и своевременная идентификация технического состояния деталей машин и конструкций позволит обеспечить систематическое и эффективное исследование и повышение надежности машин и конструкций на любой стадии их существования. Особенно это важно, когда рассматриваются детали, отказы которых нарушают безопасность и создают угрозу для обслуживающего персонала, населения и окружающей среды. В связи с этим актуальным является разработка специализированных (проблемно-ориентированных) инструментальных средств создания интеллектуальных систем (систем поддержки принятия решений), автоматизирующих процесс решения прикладных задач, направленных на повышение надежности и безопасности машин и конструкций.
Вопросы повышения эффективности управления, обеспечения качества разрабатываемых прикладных систем, автоматизации и поддержки приня-
тия решений, в том числе с использованием методов искусственного интеллекта и информационных технологий, рассмотрены в трудах Башлыкова А.А., Васильева С.Н., Гавриловой Т.А., Геловани В.А., Глушкова В.М., Вагина В.Н., Вендрова A.M., Воронина Ю.А., Емельянова Н.Е., Еремеева А.П., Ларичева О.И., Лескина А.А., Липаева В.В., Любарского Ю.Я., Мешалкина В.П., Ноженковой Л.Ф., Осипова Г.С, Попова Э.В., Поспелова Г.С., Поспелова Д.А., Рыбиной Г.В., Рубашкина В.Ш., Сосинской С.С., Трахтенгерца Э.А., Тятюшкина А.И., Хорошевского В.Ф., Черноруцкого И.Г., Черняховской Л.Р. , Уразбахтиной Л.Б., Юсупова P.M. и др., а так же зарубежных ученых Джексона П., Люггера Д., Уотермена Д., Осуга С. и др.
Вопросам эффективного исследования и повышения надежности и безопасности машин и конструкций посвящены работы Алымова В.Т., Бермана А.Ф., Болотина В.В., Васильченко Г.С., Когаева В.П., Лепихина A.M., Маху-това Н.А., Мешалкина В.П., Москвичева В.В., Рембезы А.И., Рябинина И.А., Северцева Н.А., Тимашева С.А и др.
Связь работы с научными планами института и программами РАН. Исследование выполнялось в соответствии с планом фундаментальных исследований ИДСТУ СО РАН по проекту «Методы системного анализа и оптимального управления с приложениями к техническим, природно-производственным и социальным системам» и по Программе 16 Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН «Динамика и устойчивость многокомпонентных машиностроительных систем с учетом техногенной безопасности» (координаторы - ак. РАН Матросов В.М., чл.-корр. РАН Махутов Н.А.), проект № 3.16. «Разработка основ моделирования и обеспечения устойчивости многокомпонентных машиностроительных систем при экстремальных условиях функционирования» (рук. д.т.н. А.Ф.Берман).
Цель работы. Моделирование, проектирование и реализация Проблем-но-Ориентированного Инструментального Средства (ПОИС), предназначенного для создания Интеллектуальных Систем Поддержки Принятия Решений (ИС ПНР), автоматизирующих процесс идентификации технического состояния деталей машин и конструкций.
7 Основные задачи диссертационной работы:
Анализ современных подходов, методов и средств создания интеллектуальных информационных систем и проблемы идентификации технического состояния деталей машин и конструкций,
Моделирование предметной области с использованием UML и средства его реализации IBM Rational Rose.
Разработка методики автоматизированного решения задачи идентификации технического состояния деталей машин и конструкций.
Разработка концепции и методики создания инструментального средства, включающих комплексное применение информационных технологий и систем для различных задач и этапов создания.
Моделирование, проектирование и программная реализация Проблемно-Ориентированного Инструментального Средства (ПОИС) для создания интеллектуальных систем автоматизирующих идентификацию технического состояния деталей машин и конструкций.
Использование разработанного проблемно-ориентированного инструментального средства для создания интеллектуальной информационной системы поддержки принятия решений при:
определении причин изменения технического состояния и отказов деталей;
прогнозировании технического состояния деталей;
обосновании и/или выборе мероприятий по предотвращению или снижению скорости деградации технического состояния деталей.
Объектом исследования являются методы и средства искусственного интеллекта и информационные технологии применительно к созданию инструментальных средств.
Предметом исследования является разработка математического и программного обеспечения для автоматизации и информатизации процесса идентификации технического состояния деталей машин и конструкций.
Методы исследования. В работе использовались современные принципы и методы системного анализа, методология объектно-ориентированного анализа, моделирования и проектирования информационных систем, методы
8 и средства искусственного интеллекта, основы теории распознавания образов и объектных баз данных. На защиту выносится:
Методика автоматизированного решения задачи идентификации технического состояния деталей машин и конструкций.
Концепция проблемно-ориентированного инструментального средства, автоматизирующего процесс разработки интеллектуальных систем (систем поддержки принятия решений) для автоматизированной идентификации.
Методика создания проблемно-ориентированного инструментального средства.
Формальные и объектно-ориентированные графические (визуальные) модели предметных сущностей и инструментального средства, базирующиеся на языке моделирования UML.
Программная реализация проблемно-ориентированного инструментального средства для непрограммирующего пользователя и интеллектуальной системы поддержки принятия решений, автоматизирующей процесс идентификации технического состояния объектов в нефтехимической промышленности.
Научная новизна работы:
1. Разработанная методика автоматизированного решения задачи иден
тификации технического состояния деталей машин и конструкций предложе
на впервые, характеризуется совместным применением системного анализа,
информационных технологий и методов искусственного интеллекта и вклю
чает:
представление процесса функционирования деталей машин и конструкций в виде непрерывно-дискретной последовательности технических состояний: исходной дефектности, поврежденности, разрушения, отказа;
комплексное применение трех подходов, обеспечивающих решение задачи идентификации: по прецедентам, по эвристическим правилам или путем их сочетания.
2. Предложенная концепция проблемно-ориентированного инструмен
тального средства, обеспечивает автоматизацию процесса разработки ин-
9 теллектуальных информационных систем непрограммирующими пользователями, реализующих новую методику (по пункту 1) автоматизированного решения задачи идентификации технического состояния.
3. Разработанная методика создания проблемно-ориентированного ин
струментального средства, отличается от известных комплексным приме
нением информационных технологий и систем, в том числе:
языка моделирования UML и реализующего его CASE-средства Rational Rose при моделировании предметных знаний, моделировании и проектировании программной системы, включая базу знаний продукционной ЭС CLIPS;
ООСУБД Cache для обеспечения эффективного хранения (представления) предметных знаний в виде прецедентов;
ЭС CLIPS для обеспечения эффективного хранения (представления) предметных знаний в виде продукций и фреймов.
RAD-технология и средство ее реализации Borland Delphi для обеспечения быстрого прототипирования;
4. Впервые построены формальные и объектно-ориентированные гра
фические (визуальные) модели предметных сущностей (данных и знаний) для
задачи идентификации технического состояния и разработанного инструмен
тального средства.
Практическая ценность:
Алгоритмическое обеспечение разработанной методики автоматизированного решения задачи идентификации технического состояния деталей машин и конструкций.
Автоматизация разработки прикладных программных систем на основе использования набора мастеров, обеспечивающих доступность и прозрачность процесса создания ИС ППР для непрограммирующих пользователей, снижение временных затрат на освоение систем (ПОИС и ИС ППР).
Разработка интеллектуальной системы поддержки принятия решений для: определения причин изменения технического состояния и отказов деталей; прогнозирования технического состояния деталей; обоснования и/или выбора мероприятий по предотвращению или снижению скорости изменения технического состояния.
Практическая значимость работы подтверждается использованием программной разработки в Институте Машиноведения РАН и ИДСТУ СО РАН.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач исследования; обеспечении и формулировке основных положений научной новизны и практической значимости работы; формализации и моделировании данных и знаний; в программной реализации инструментального средства для создания интеллектуальных систем поддержки принятия решений.
Используемый в программной системе модуль построения динамического интерфейса разработан Павловым А.И. и не является предметом защиты.
Логическая модель базы данных оборудования, разработанная совместно с Павловым А.И. и Николайчук О.А., и формальные модели предметной области (за исключением модели инцидента/прецедента), полученные совместно с научными руководителями, являются неделимыми, что отражено в совместных публикациях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались: на Всероссийской конференции «Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы» (Улан-Удэ, 2003 г.); на IV Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Красноярск, 2003 г.); на Международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов» (Екатеринбург, 2003 г.); на школах-семинарах молодых ученых, аспирантов и студентов г. Иркутска «Математическое моделирование и информационные технологии: управление, искусственный интеллект, прикладное программное обеспечение, технологии программирования» (Иркутск, 2003-2005 гг.); на III Всероссийской конференции «Математика, информатика, управление» (Иркутск, 2004 г.); на Международной конференции «Интеллектуальные системы» (IEEE AIS'04, 2004 г.); на V Международной конференции «Искусственный интеллект-2004» (Кацивели, 2004 г.); на V Всероссийской конференции с международным участием «Новые информационные технологии в исследовании сложных структур» (Иркутск, 2004 г.); на конференциях «Ляпуновские чтения & Презентация информационных технологий» (Иркутск, 2002-2004 гг.); на научно-образовательном совместном семинаре Центра исследования устойчивости и нелинейной динамики и кафедры математической кибернетики Московского авиационного института (Москва, 2005г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ. В том числе три в изданиях рекомендованных ВАК, десять публикаций в трудах международных конференций и два Свидетельства об официальной регистрации программных продуктов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и шести приложений. Объем диссертации составляет 144 страницы, включая 55 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 221 наименование, приложение на 37 страницах.
Содержание работы. Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, формулируется цель и задачи исследования, определяется научная новизна и практическая значимость результатов.
В первой главе дается анализ современных интеллектуальных систем и технологий их построения, в том числе для решения задачи идентификации технического состояния деталей машин и конструкций.
Во второй главе приводится концепция и методология исследований.
В третьей главе осуществляется проектирование и моделирование проблемно-ориентированного инструментального средства создания интеллектуальных систем.
В четвертой главе приводится описание программной реализации проблемно-ориентированного инструментального средства создания интеллектуальных систем.
В пятой главе показаны особенности применения разработанного проблемно-ориентированного инструментального средства.
В заключении сформулированы основные научные положения, результаты диссертационной работы и направления дальнейших исследований.
Состояние исследований в области надежности деталей машин и конструкций
В настоящее время отсутствует общепринятая теория надежности уникальных механических систем [Махутов Н.А., Берман-98, Болотин-90, Лепи-хин-03, Москвичев-02, Кубарев-89 и др.], составляющих основу машин и конструкций, позволяющая эффективно планировать и развивать прикладные исследования в этой области, а значит повышать их надежность. В связи с этим в первую очередь требуется единообразная методология сбора и обработки информации с целью выявления научных фактов и формулировки гипотез для построения и совершенствования моделей процессов формирования отказов механических систем. Особенно это касается уникальных механических систем, для которых в принципе невозможно собрать статистическую информацию и отказы которых, в большинстве случаев приводят к нарушению безопасной эксплуатации технических систем.
Разработка теории надежности механических систем - фундаментальная проблема, решение которой позволит решить ряд прикладных задач, в том числе задачи развития математических, программных и технических средств диагностирования и прогнозирования технического состояния [Бородин-02, Воеводин-05, Сугак-01].
Одной из таких задач является прогнозирование возможных и определение фактических причин повреждения и разрушения машин и конструкций, приводящих к отказам, путем исследования механо-физико-химической природы процесса деградации их структурных и конструктивных элементов (под уникальностью понимается единичность систем и специфический набор воздействующих факторов).
Правильное определение причин повреждений и отказов позволяет обосновать рациональную конструкцию и необходимую модернизацию, назначить обоснованную периодичность и средства диагностирования, принять меры по обеспечению безопасности в случае возникновения критических отказов. Тем самым могут быть внесены значительные изменения в методологию создания и эксплуатации машин и конструкций, которые позволят учитывать многочисленные факторы, ранее игнорируемые как по объективным, так и по субъективным причинам.
Автоматизация процесса исследования причин изменения технического состояния деталей машин и конструкций, путем применения современных информационных технологий, по нашему мнению, является наиболее эффективными способом обеспечения и повышения их надежности и безопасности.
Предметом науки о надежности является изучение закономерностей изменения показателей качества объектов во времени и разработка методов, позволяющих с минимальной затратой времени и ресурсов обеспечить необходимую продолжительность и эффективность их работы.
Специфическими особенностями задач надежности являются:
- учет фактора времени, так как надежность отражает «динамику качества», поскольку исследует временное количественное изменение показателей качества, первоначальный уровень которых заложен при разработке, обеспечен при изготовлении и реализуется при эксплуатации;
- прогностическая направленность результатов, поскольку надежность связана, прежде всего, с прогнозированием технического состояния объекта.
Особенно большое значение имеет прогноз на ранних стадиях жизненного цикла объекта (разработка и изготовление), когда необходимо дать оценку эффективности принятых конструкторских решений и применяемых технологических методов для обеспечения требуемого уровня качества и эффективности объекта в предполагаемых условиях эксплуатации.
Изменение качества связано с различными повреждающими процессами, протекающими в объекте при эксплуатации и изменяющими свойства и состояние материалов, из которых он изготовлен. В результате этого происходит прогрессивное снижение показателей качества объекта и его физическое старение (деградация).
Исторически наука о надежности развивается по двум основным направлениям:
- Математическое направление возникло в радиоэлектронике, связано с развитием математических методов оценки надежности, особенно примени тельно к сложным системам, с разработкой методов статистической обработки информации о надежности, разработкой структур систем, обеспечивающих высокий уровень надежности. Теоретической базой этого направления являются: теория вероятностей, математическая статистика, теория случайных процессов, теория массового обслуживания, математическое моделирование и другие разделы математики.
- Физическое направление возникло в машиностроении и связано с изучением физики отказов, с разработкой методов расчета на статическую и циклическую прочность, оценкой сопротивления разрушению, износостойкости и т.п. Теоретической базой этого направления являются естественные науки, изучающие различные аспекты разрушения, старения и изменения свойств материалов: теория упругости, пластичности и ползучести, теория усталостной прочности, механика разрушения, трибология, физико-химическая механика материалов и др.
В настоящий период идет активный процесс взаимного слияния этих направлений, перенесения рациональных идей из одной области в другую и формирование на этой основе единой науки о надежности. Содействию этому процессу, наряду с решением ряда прикладных задач в какой-то степени посвящена данная работа.
Основные понятия предметной области, встречающиеся в работе [ГОСТ 27.002-89]:
Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования .
С позиций надежности объект может находиться в следующих основных технических состояниях: исправное, работоспособное и неработоспособное.
Исправное техническое состояние - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.
Концепция проблемно-ориентированного инструментального средства
Современные инструментальные средства - это специализированные компьютерные программы, облегчающие программисту или непрограммирующему пользователю создание прикладных программных систем.
В рамках автоматизированного решения задачи идентификации тех 42 нического состояния деталей машин и конструкций разработан программный инструментарий для создания особого класса систем — Интеллектуальных Систем Поддержки Принятия Решений (ИС ППР) [Берман-ОЗа, Берман-ОЗг, Берман-ОЗд, Берман-046, Берман-04в, Берман-04д, Юрин-05].
Под интеллектуальностью в данном случае подразумевается проявление определенной «разумности» в поведении программной системы, которое выражается в способности системы генерировать, оценивать и объяснять возможные решения и достигается путем применения к решению задачи методов искусственного интеллекта, в частности - экспертных систем (ЭС).
Систематизация и обобщение знаний в области динамики технических состояний и надежности механических систем [Берман-98, Берман-01], таких как: построение обобщенной формальной модели механической системы (машины или конструкции), включающей структурные и технические свойства; построение формальной модели (общих) технических состояний деталей машин и конструкций (обобщенной механической системы), включающей описание их свойств и структуры; выделение классов (типов) возможных причин изменения технических состояний на различных стадиях жизненного цикла обобщенной механической системы; построение формальных моделей возникновения и развития деградаци-онных процессов (причин изменения технических состояний), позволяет разработать «обобщенные» методы решения задачи (методы, обрабатывающие обобщенные данные) и, как следствие, разработать универсальное по предметной области проблемно-ориентированное инструментальное средство, которое позволяет повысить эффективность и качество разработки ИС ППР, предназначенных для автоматизированной идентификации технического состояния деталей машин и конструкций в различных отраслях промышленности, в энергетике и на транспорте, за счет минимизации временных затрат на этапах: (а) формализации предметной области [Берман-04е]; (б) разработки методов решения задачи идентификации [Берман-ОЗв, Юрин-ОЗа, Юрин-ОЗб, Юрин-046]; (в) разработки интерфейса [Берман-ОЗб, Берман-04г, Павлов-ОЗа, Павлов-ОЗб]; (г) наполнения базы знаний [Берман-04а].
Создаваемые при помощи инструментального средства ИС ППР будут обладать следующим набором функций: сбора и анализа данных о техническом состоянии детали (идентификации технического состояния на основании данных введенных пользователем); проведения исследования (определения) причин изменения технического состояния; обоснование эффективных мероприятий по восстановлению технического состояния, увеличению ресурса и смягчению последствий (выработка рекомендаций по мероприятиям) изменений технического состояния деталей, вплоть до недопустимого (состояние возможных отказов.
ИС ППР, разработанные при помощи инструментария, позволят решать широкий круг задач на всех стадиях жизненного цикла машин и конструкций:
на стадии создания - при прогнозировании возможных состояний для обоснования расчетных схем, оценки технологической наследственности и совершенствования технологии изготовления, обоснования методов и средств диагностирования, при оценке прочности, ресурса, надежности, безопасности;
на стадии эксплуатации — для определения рациональных объемов и содержания ремонтных и профилактических работ, для планирования и проведения восстановительных работ после инцидентов и аварий, для обоснования мер по предотвращению инцидентов и разработки рекомендаций по совершенствованию и развитию конструкции МС.
Для реализации основных функций инструментального средства предлагается применить метод гибридной экспертной системы. Использование данного метода позволяет осуществлять накопление и управление предметными знаниями различной степени полноты и неопределенности, так же повысить качество решений [Рыбина-Ola, Колесников-04, Комарцова-04, Aamodt-94, Golding-96, Portinale-04].
Функции проблемно-ориентированного инструментального средства
Моделирование диалога (взаимодействия) пользователя с системой осуществляется при помощи диаграмм состояний, представляющих собой графы абстрактных диалогов. В основу абстрактных диалогов закладывается идеология технологического процесса, для автоматизации которого предназначается программный продукт.
Граф диалога - ориентированный взвешенный граф, каждой вершине которого сопоставлена конкретная картинка на экране (кадр) или определенное состояние диалога, характеризующееся набором доступных пользователю действий. Дуги, исходящие из вершин, показывают возможные изменения состояний при выполнении пользователем указанных действий. В качестве весов дут указывают условия переходов из состояния в состояние и операции, выполняемые во время перехода. Таким образом, каждый маршрут на графе соответствует возможному варианту диалога. При этом представление диалога в виде графа в зависимости от стадии разработки может выполняться с разной степенью детализации. По своей сути граф диалога - это граф состояний конечного автомата, моделирующего поведение программного обеспечения при воздействиях пользователя.
Перед тем как непосредственно перейти к стадии (д) программной реализации инструментального средства производится разработка (проектирование) его архитектуры - физической структуры программного обеспечения. Для этого применяются диаграммы компонентов (Component Diagram). Использование диаграмм компонентов позволяет осуществить «упаковку» управляющих классов по компонентам - файлам и обосновать выбор способа взаимодействия между отдельными компонентами разрабатываемого программного обеспечения.
Используя детализированные диаграммы классов, деятельности, состояний производится программная реализация управляющих классов и программных модулей (построение программной системы) с использованием RAD средства Borland Delphi. Существует возможность формирования скелетного кода на языке Object Pascal по описанию классов UML. Скелетный код при этом не содержит реализации методов классов.
Пользовательский интерфейс разрабатывается сугубо средствами Borland Delphi, при этом активно используются графы абстрактных диалогов.
По завершению итерации - получению прототипа проблемно-ориентированного инструментального средства производится его тестирование. По результатам тестирования корректируются требования к программной системе (спецификации) и процесс разработки повторяется сначала -осуществляется следующая итерация, Целью каждой последующей итерации является расширение функциональности разрабатываемых прототипов, вплоть до полного завершения разработки (придания прототипу всей требуемой функциональности).
Существенной новизной предлагаемой методики является комплексное применение новейших достижений в области информационных технологий и систем на всех стадиях разработки инструментального средства. Это позволяет обеспечить высокую эффективность процесса разработки и качество инструментального средства. Новизной является и применение языка моделирования UML для формирования базы знаний CLIPS. Комплексный подход выражается в следующем: в моделировании и проектировании программной системы с использованием объектно-ориентированного подхода и CASE-средства Rational Rose (IBM), реализующего объектно-ориентированный подход; в разработке пользовательского интерфейса с помощью RAD-технологии реализованной в инструментальном средстве Borland Delphi; в использовании ООСУБД Cache (InterSystems) для обеспечения эффективного хранения базы прецедентов; использование оболочки для построения экспертных систем CLIPS при разработке продукционной базы знаний.
Выводы
Впервые предложена методика автоматизированного решения задачи идентификации технического состояния деталей машин и конструк ций, отличающаяся совместным применением системного анализа, информационных технологий и методов искусственного интеллекта и включающая:
представление процесса функционирования деталей машин и конст рукций в виде непрерывно-дискретной последовательности техниче ских состояний: исходной дефектности, поврежденности, разруше ния, отказа и т.д.;
комплексное применение трех подходов, обеспечивающих решение задачи идентификации: по прецедентам, по эвристическим правилам или путем их сочетания.
Предложена концепция проблемно-ориентированного инструментального средства, обеспечивающая автоматизацию процесса разработки интеллектуальных информационных систем непрограммирующими пользователями, применяющими новую методику (по предыдущему пункту) автоматизированного решения задачи идентификации технического состояния.
Разработана методика создания проблемно-ориентированного инструментального средства заключающаяся в комплексном применении информационных технологий и систем в том числе: UML и реализующего его CASE-средства Rational Rose при моделировании предметных знаний, моделировании и проектировании программной системы, включая базу знаний продукционной ЭС (ШШ%ехнологию и средство ее реализации Borland Delphi для обеспечения быстрого прототипирования; ООСУБД Cache для обеспечения эффективного хранения (представления) предметных знаний в виде прецедентов; ЭС CLIPS для обеспечения эффективного хранения (представления) предметных знаний в виде продукций и фреймов.
В главе описывается процесс моделирования и проектирования проблемно-ориентированного инструментального средства (ПОИС) для создания интеллектуальных систем (ИС ППР), используемых при идентификации технического состояния деталей машин и конструкций.
Предложены модели предметной области, отражающие структуру предметных понятий и динамику их поведения. Обоснован выбор способов представления предметных знаний в программной системе. Описаны концептуальная архитектура инструментария, особенности его пользовательского интерфейса, алгоритмические основы решения задачи идентификации технического состояния.
В процессе анализа требований к функциональности необходимо ответить на вопрос: «Кто и как будет использовать проблемно-ориентированное инструментальное средство?».
Ответ на первую часть вопроса позволяет выделить активных субъектов пользователей программной системы, ответ на вторую часть вопроса — определить варианты использования программной системы выделенными субъектами.
Продукционная экспертная система
Основным программным компонентом продукционной экспертной системы является База знаний (БЗ). БЗ разделена на отдельные сегменты определенные на этапе проектирования (см. 3.4.5). Сегментация БЗ реализуется путем разделения различных сегментов по файлам. Подобное разделение на файлы обеспечивает нахождение в рабочей памяти интерпретатора знаний, релевантных обрабатываемой ситуации.
Построение структур базы знаний производится путем преобразования UML описания классов базы знаний и формальных определений предметных понятий во фреймы-экземпляры, фреймы образцы, продукционные правила на языке CLIPS.
В качестве интерпретатора используется машина вывода CLIPS, подключаемая в виде динамической библиотеки. Для работы с библиотекой имеется набор интерфейсных функций, описание которых содержится в модулях на языке Object Pascal, поставляемых с библиотекой.
Используя интерфейсные функции, происходит загрузка в рабочую память сегментов базы знаний, содержащихся в файлах; заполнение ее фактами; запуск интерпретатора и получение результата.
В качестве редактора БЗ может быть использован любой текстовой редактор, например, NotePad. Кроме того, в настоящее время разработано ряд коммерческих специализированных редакторов, для редактирования файлов БЗ в формате CLIPS, например Expert System Designer [ESD].
Модуль генерации отчетов предоставляет пользователю возможность получения различного рода отчетной информации в процессе идентификации технического состояния детали машины или конструкции.
В частности реализованы следующие виды отчетов: сведения по инциденту (прецеденту); сравнительная характеристика двух инцидентов (прецедентов); список аналогов; отобранные по определенному признаку инциденты (прецеденты).
Формирование отчетов происходит путем анализа специальных шабло нов, содержащих описание структуры отчетного документа (рис. 4.3.1-4.3.2) на HTML. Интерфейсный модуль содержит программы-мастера, реализующие основные варианты использования системы:
Мастер: идентификация технического состояния детали позволяет идентифицировать техническое состояние детали и определить причину проблемной ситуации. Примеры экранных форм мастера приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 3.
Мастер: выявление (настройка) субъективных предпочтений пользователя позволяет пользователю указать степень важности параметров, описывающих техническое состояние объекта. Примеры экранных форм мастера приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 4.
Мастер: просмотр описания инцидента (прецедента) позволяет пользователю ознакомиться с описанием зарегистрированных прецедентов. Примеры экранных форм мастера приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 5.
Мастер: редактирования описания инцидента (прецедента) позволяет пользователю изменить описание прецедентов. Примеры экранных форм мастера приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 6.
Помимо программ-мастеров интерфейсный модуль содержит программные компоненты, обеспечивающие построение динамического интерфейса. Подобный интерфейс используется на этапе создания и настройки ИС ПИР. Данные компоненты разработаны Павловым А.И. [Берман-04г, Павлов-036]. Выводы Описана программная реализация проблемно-ориентированного инструментального средства. Приведены примеры экранных форм, листинги программных кодов, описание структуры базы данных прецедентов и продукционной базы знаний.
В главе описывается процесс создания прикладной интеллектуальной системы поддержки принятия решений (ИС ППР) для идентификации технического состояния деталей машин и конструкций нефтехимических комплексов с помощью разработанного проблемно-ориентированного инструментального средства (ПОИС).
Приводятся примеры создания и применения ИС ППР для решения задач: определение причин изменения технического состояния деталей; прогнозирование технического состояния деталей; обоснование и/или выбор мероприятий по предотвращению технического состояния деталей, приводящего к отказам механических систем.
