Введение к работе
Актуальность проблемы. Для ускорения роста технико-эконо-шческого уровня и конкурентоспособности выпускаемой продукции »0 всех отраслях народного хозяйства необходима с одной стороны интенсифицировать научные исследования по изысканию новых принципов построения иэделмй и технологий, а с другой стороны - ускорить' внедрение достижений науки в разработки новой техники, юкратить цикл проектирования и освоения новых изделий в произ-зодствв за счет более пирокого использования соответствующих івтоматизирсваняьгх систем н совершенствования {оптимизации) их сарактеристик.
Методы структурного синтеза и репекия, принимаемые на ран-1их стадиях проектирования нового объекта, существенным еораяом 1ЛИЯСТ на вероятность успешного эазешекия и тсхиико-эхоиомк-юский уровень разработки новой техники. Ошибки, допущенные на >таго выбора структуры, как правило, не могу? быть скомпенеиро-іани на последующих стадиях проектирования л, в частности, за :чет оптимизации параметров объекта.
Тем или «гным аспектам пробдеь-н структурного синтеза посвя-ієньі работы зарубгяных ученых Ф.Цвиккк (США), В.Хубки ($Г), д.Федера (США) и других, а также работы советских ученых І.И.Артоболевского, Е.П.Балагасва, Я.А.Грундспенькиеа, А.М.Дво-іянкина, И.А.Лазарева, Б.С.Ыихалэвича, И.П.Норенкова. А.И.Полонянина, Г.С.Поспелова, Д.А.Поспелова, И.С.Потемкина, А.Д.Цвир-уна, А.Г.Чачко к других. Обшее состояния теоретических основ
X.
структурного синтеза ыожно охарактеризовать следующим образом:
-
Отсутствую? обобщение и систематизация существующих форм и способов представления (моделирования) ыножества альтернативных вариантов (МАВ) в задачах структурного синтеза с учетом характера решаемой задачи и класса, к которому относится объект проектирования (ОП).
-
Отсутствует рекомендации по формализации и алгоритмизации задач структурного синтеза на ранних стадиях проектирования, пригодные для широкого использования в инженерной практика.
-
Отсутствуют эффективные алгоритмы, процедуры и численные штодн реиения оптимизационных задач структурного синтеза.
Такий образом, разработка обаей методологии структурного синтеза слокных объектов на ранних атапах проектирования и создания соответствующих математического и программного обеспвче-»шй являются в настоящее время актуальной проблемой теории и практики проектирования АСУ.
Цели и задачи исследования. Целями исследования является:
-
Разработка обпей методологии структурного синтеза в задачах управления и проектирования сложных объектов, обеспечивающей построение эффективных инженерных методов синтеза, сокращение сроков проектирования, повышение качества и обоснованности проектных решений за счет более полного использования накопленных знаний в каздой конкретной области.проектирования и формализации, унификации и автоматизации операций и процедур структурного синтеза.
-
Приложение разработанных методов в задачах исследования и проектирования на ранних стадиях АСУ и их компонентов.
Для достижения указанных целей, с учетом выбранного направления исследования, поставлены следующие задачи:
-
Анализ, систематизация и обобщение существующих подходов к постановка и решению задач структурного синтеза.
-
Исследование И-ИЛИ-графов и плекс-граыматик и разработка рекомендаций по их использованию для моделирования МАВ с учетом характера задач структурного синтеза АСУ.
-
Исследование способов построения и свойств характеристических булевых функций (ХБФ), представляющих ЫАВ в задачах структурного синтеза.
-
Исследование особенных скобочных нормальных форм (ОСНй) характеристических булевых функций, способов их построения и
принципов использования для решения оптимизационных задвч структурного синтеза.
-
Разработка методов и алгоритмов взаимного преобразования форм представления МАВ: морфологических таблиц (МТ), И-ШІИ-графов, плекс-граимагик, ОСНФ, систем булезкх уравнений (СБУ) и линейных псевдобулевых ограничений (СЛГО).
-
Разработка и исследование численных методов решения оптимизационных задач структурного синтеза на ССНЬ, нагруженных параметрическими моделями элементов.
-
Приложение методологии структурного синтеза, базирующейся на логико-комбинаторном подходе, в 'задачах управления и проектирования информационного, программного и технического обеспечения АСУ.
-
Экспериментальная проверка и оценка эффективности разработанных методов.
Предмет и метод исследования. Предметом исследования являются теоретические и прикладные вопросы создания моделей и методов структурного синтеза сложных объектов в задачах управления и проектирования на ранних стадиях с учетом характера предметной области АСУ:
-
Методы и формы исходного представления ЫАВ: морфологические таблицы, И-ИЛИ-деревья и графы общего вида, плекс-грам-матики, аппарат символической логики; формы рабочего представления МАВ; алгоритмы взаимного преобразования форм представления МАВ.
-
Параметры различных форм представления МАВ и алгоритмов взаимного символьного преобразования этих форм.
-
ОСНФ, предложенные в диссертационной работе, как средство структурирования (частичной или полной факторизации) ггоо-странства поиска в задачах структурного синтеза.
-
Модели оценки эффективности вариантов структуры ОП: формулы свертки частных коитериев (показателей качества), целевые функции и функционалы задачи струхтувдого синтеза.
-
Человеко-машинные процедуры структурного синтеза, символьно-численные методы решения оптимизационных задач структурного синтеза с учетом степени определенности их постановки.
-
Варианты программной реализации методов структурного синтеза, базирующихся на логико-комбинаторном подходе.
-
Эффективность логико-коибинагорного подхода при решении прикладных задач структурного синтеза АСУ и их компонентов.
Ыетод исследования моделей представления знаний о предметной области и алгоритмов структурного синтеза основан на использовании математического аппарата символьной логики, формальных грамматик, теории графов, теории алгоритмов и дискретной оптимизации. Отдельные положения, выдвинутые в диссертационном исследовании, сфсрыулировакы в виде теорем и строго математически доказаны. Для исследованных форы представления МАВ, алгоритмов их символьного преобразования и решения оптимизационных задач структурного синтеза получены приближенные оценки сложности. Теоретические виводи подтверждены экспериментами с ППП 5YNVAR.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в создании нового направления б методологии структурного синтеза сложных объектов в задачах управления и проектирования с учетом характера предметной области АСУ, названного логико-комбинаторным подходом, в основе которого лежат формализация описания знаний, относящихся к конкретной предметной области стру турного синтеза, с помощью аппарата формальных грамматик (плекс-грамма-тик), И-ИШ-графов и символической логики, символьные преобразования этих описаний в ОСНФ и символьно-численные методы решения оптимизационных задач синтеза на таких формах:
- I. Впервые с единых теоретических позиций выполнены анализ и систематизация средств представления МАВ з задачах структурного синтеза: МТ, И-Ш1И-графов, СБУ, СЛШ, плекс-грамматик. '
Z. Теоретически обоснованы принципы и методы использования плекс-грамматик и, в частности, контекстно-свободных плекс-грамматик, для организации информационного фонда структур и исходного представления структур ОП с контурным и бесконтурным законом функционирования.
3, Обоснована целесообразность систематического использова-
чия аппарата символичзской логики на этапе формализации и алго
ритмизации правіш комбинирования, порождающих МАВ структур. Раз
работаны принципы представления множества структур в вцде ХБФ
для всех риссмотрскшх в диссертации форм исходного представле
ния МАВ и постановок задачи структурного синтеза.
4. Предложен новый вид структурированного представления
иксжества структур - 0CHQ, кспяедоъаны фундаментальные свойства
этих ферм и обоснована цзлесесбразкссть их использования для
представленая ИВ в вяіечах структурного синтеза.
Прйдложсли модификации 0CHS для временных и модальных логических фуиипій, разработаны символьные алгоритмы их построения
для соответствующих видов исходного представления МАВ.
-
Разработаны эффективные символьно-численные метода решения переборных задач структурного синтеза, основанные на частичной или полной факторизации пространства поиска, представленного в виде ОСНФ МАВ. Эти методы заключается в последовательном сужении исходного множества структур с помощью процедур отсеивания отдельных подмножеств с учетом ограничений технического задания (13), на основе оценок оптимального значения иелевой Функции и выявления парато-оптимальных решений.
-
Получены оценки сложности различных форм представления МАВ, алгоритмов их взаимного преобразования и инвариантных алгоритмов сунекия МАВ, представленных в виде 0СН5.
Практическая ценность. I. Предлагаемая методология структурного синтеза сложных объектов позволяет строить эффективные формализованные методы, ориентированные на конкретные предметные области структурного синтеза, осуществить накопление и систематизацию знаний, более эффективное использование коллективного опыта высококвалифицированных специалистов, активизирует творческую активность инженера-проектировщика.
-
Разработаны алгоритмы, процедуры к программное обеспечение, реализующие инвариантные задачи структурного синтеза.
-
На базе обвей методологии разработаны методики структурного синтеза аппаратных средств (усилителей воспроизведения, специализированных ЭВМ, вычислительных комплексов), программного и информационного обеспечений автоматизированных систем.
-
Использование ігоедлаг^дгх методов структурного синтеза повышает обоснованность и качество проектных решеькй, вероятность успешного завершения новых разработок, их технико-экономический
уровень и конкурентоспособность, сокращает сроки проектирования.
Реализация результатов исследования. Работа выполнена на кафедре системотехники и дШ Северо-Западного заочного политехнического института. Отдельные результаты исследования - логико-комбинаторные методы структурного синтеза и программное обеспечение в виде пакета прикладных программ S4NVAR - внедрены в научно-исследовательских работах кафедры, а также в других организациях:
-
Методы структурного синтеза схем управления запоминающих устройств (усилителей воспроизведения) внедрены в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах НПО "Авангард".
-
Математический аппарат плекс-языков и плэкс-грамматик
внедрены в НЮ "Марс" для оптимизации состава программного обеспечения и при разработке генератора тестовых наборов данных для испытаний программного продукта.
-
Математический аппарат преобразования И-ИЛИ-графов и решения оптимизационных задач на особенных скобочных формах внедрен Е НПО "Авангард"-при создании банков данных для САПР радиоэлектронной аппаратуры.
-
Структура автоматизированной системы переформатизации макетов гидрометеорологической информации, разработанная на основи логико-комбинаторного подхода, внедрена в 525-м научно-исследовательском океанографическом центре U0.
" 5. В производственном объединении "Ленинградский электромеханически;"', завод" имени 60-летия Союза ССР логико-комбинаторный подход ислользоЕан при разработке основных концепций АСУ участком сборочного производства ГПС,
6. В инженерном центре ШС ДЛИ ю». И.И.Калинина при разработке информационного, программного и технического обеспечения системы управления в рамках программу 0.16.10 ГКНТ "Создать и освоить ГАП на основе передовых технологических процессов, гибких переналаживаемых комплексов,, промьшленных роботов и микропроцессорной техники" на 1936-90 гг.
Суммарный годовой экономический эффект от внедрения логико-комбинаторних методов в указанных работах составляет около 400 тыс.руб.
Отдельные элементы логико-комбинаторного подхода внедрены в научно-методическо.» работе и учебном процессе вуза при подготовке инженеров-системотехников по специальности 0608, а также в кандидатских диссертациях В.А.Победнова и А.Е.Сафонова,- защищенных по специальности С5.І3.06.
Апробация работы. Отдельные постановки задач, результаты и общие положения логико-комбинаторного подхода к задачам структурного синтеза докладывались на:
Ш Всесоюзной ыежвузовекой научно-технической конференции "Достижения и перспективы развития технической кибернетики" (Киев, 1975 г.);
научно-практическом совещании секции системотехники ЛОС НТО РдО им. А.С.Попова (Ленинград, 1975 г.);
1У Всесоюзном симпозиуыо по проблемам системотехники (Ленинград, 2Q80 г.);
четвертой школе-семинаре по интерактивным системам
(Тбилиси, 1982 г.);
IX Всесоюзном совещании по проблемам управления (Ереван, 1983 г.);
ill Всесоюзной конференции "Автоматизация поискового конструирования и подготовка кадров" (Иваново, 1983 г.);
заседании семинара "Теория автоматов" секции вычислительной техники ЮС НТО РХ им. А.С.Попсва (Ленинград, 1988 г.);
УП научно-техническом семинаре "Системный анализ и методы проектирования АСУ в промышленности, транспорте и свези" на тему "Проблемы автоматизированных систем управления и принятия рошений на базе знаний" (Ленинград, 1988 г.),
Публикации. По тене диссертации а центральных издательствам опубликованы 22 работы, среди которых I монография.
Структура и объем работы. Диссертационная работа излолана на 299 страницах машинописного текста и состоит из введения, семи глав, заключения, указателя литературы на 132 наименования н приложения; содержит 33 рисунка и 28 таблиц.
Введение посвящено анализу подходов к оесетго пооблемы структурного синтеза, глава I - основным положениям логико-комбинаторного подхода к задачам структурного синтеза АСУ, глава 2 - символьным методам построения ОСНФ, глава 3 - инвариантным символьно-численный методам решения оптимизационных задач на ОСНФ, главы 4 и 5 - И-ИЛИ-графам и плекс-грамматикам для моделирования МАВ оригинальных и типовых схем в задачах структурного синтеза АСУ, глава 6 - синтезу объектов с переменно^, структурой, глава 7 и приложение - внедрении результатов.
