Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование моделей информационных процессов и структур в области эксплуатации технических средств МЧС 12
1.1. Исследование информационных моделей структуризации технических руководств в области эксплуатации техники МЧС 12
1.2. Исследование и разработка средств представления и извлечения знаний в области эксплуатации техники МЧС 20
1.3. Исследование моделей и алгоритмов анализа данных, обнаружения закономерностей в данных и их извлечениях в области эксплуатации техники МЧС 28
1.4. Анализ моделей информационных процессов и структур поиска неисправностей с использованием ИЭТР 33
1.5. Выводы по главе 1 36
Глава 2. Разработка и анализ информационных моделей структур технических изделий 38
2.1. Разработка основ информационного системного подхода к моделированию структуры технических изделий 38
2.2. Разработка объектно-структурных информационных моделей сложного технического изделия 48
2.3. Исследование моделей и алгоритмов разработки электронных руководств для технических средств МЧС 56
2.4. Исследование свойств и методов экспертной оценки моделей ОСТ в ИЭТР 62
2.5. Выводы по главе 2 75
Глава 3. Исследование информационных процессов для создания комплекса иэтр в области эксплуатации и ремонта технических средств МЧС 76
3.1. Исследование и разработка теоретических основ создания программных систем для информационных технологий ИЭТР 76
3.2. Исследование состава и информационных структур процессов технического диагностирования и эксплуатации ОСТ 85
3.3. Исследование и разработка алгоритмов анализа данных по диагностированию и восстановлению ОСТ с использованием функционально-графовых моделей 88
3.4. Исследование состава документов в концептуальной предметной области эксплуатации ОСТ 107
3.5. Выводы по главе 3 111
Глава 4. Разработка методических основ по использованию интегрированных моделей и средств представления знаний о техническом изделии МЧС 112
4.1. Разработка средств представления знаний о техническом изделии в процессе ремонта 112
4.2. Разработка формального представления обобщенной базы знаний для концептуальных предметных областей эксплуатации 123
4.3. Разработка методики использования ИЭТР с оценкой восстановления126
4.4. Разработка методических основ использования комплекса ИЭТР в области эксплуатации и ремонта технических средств МЧС 141
4.5. Выводы по главе 4 147
Заключение 149
Список литературы 151
- Исследование и разработка средств представления и извлечения знаний в области эксплуатации техники МЧС
- Разработка объектно-структурных информационных моделей сложного технического изделия
- Исследование состава и информационных структур процессов технического диагностирования и эксплуатации ОСТ
- Разработка формального представления обобщенной базы знаний для концептуальных предметных областей эксплуатации
Исследование и разработка средств представления и извлечения знаний в области эксплуатации техники МЧС
Обеспечение МЧС России осуществляется всеми необходимыми техническими средствами для выполнения предстоящих задач, включая средства связи, специальную и медицинскую технику. В связи с тем, что техника МЧС России эксплуатируется в экстремальных (предельных) условиях, возникает острая необходимость быстрого выявления и ремонта неполадок в работе техники и скорейшей передачи знаний об ее состоянии обслуживающему персоналу, а также предприятиям-изготовителям о наиболее уязвимых узлах, деталях и т.п.
Возникновение направления интеллектуальных информационных технологий вызвано потребностями пользователей корпоративных информационных систем (ИС), включающих базы данных (БД), которые содержат сотни гигабайт структурированной и неструктурированной информации, накопленной за период эксплуатации ОСТ. Традиционные информационные системы (ИС) эксплуатационно-технического назначения оперируют не знаниями, а данными – документами, записями в БД, выборками, отчетами и т. п. В результате, знания, служащие основным компонентом потенциала специалистов, такими системами непосредственно не учитываются, не накапливаются и не обрабатываются.
Модели структуры данных и знаний предметной области эксплуатации представляют собой результат применения интегрирующей интеллектуальной информационной технологии, которая объединяет в единый комплекс данные и знания, поддерживающие процессы формирования, накопления, хранения, распространения и обработки эксплуатационно-технологических данных и знаний.[19,20]
Под предметной областью эксплуатации (ПэО) в работе будем принимать область эксплуатации, технического обслуживания и ремонта технических средств. Знания, отражающие специфику ПэО условно можно разделить на три ранга: 1) формализованные знания, представленные в БЗ; 2) знания, содержащиеся в документах и БД; 3) профессиональные знания специалистов организации, не зафиксированные на материальных носителях.
В число задач представления ПэО входит поддержка процессов: явного выражения (фиксации) знаний специалистов, т. е. перевода их с 3-го ранга на 2-ой или 1-ый с помощью методов приобретения знаний от экспертов; формализации и автоматизированного извлечения знаний из ИС, т. е. перевода их со 2-го ранга на 1-й. [14-17]
Наличие явного представления знаний обеспечивает их сохранение при уходе из организации специалистов, упрощает обучение новых кадров, создает условия для фиксации прав интеллектуальной собственности на знания, за счет чего повышается капитализация организации. Таким образом, управление знаниями ПэО необходимо рассматривать как интегрирующую технологию, объединяющую в комплекс множество информационных требований к технологиям (как традиционным, так и интеллектуальным)[19-22]:
Фундаментом разработки моделей структуризации служат технологии интерактивных технических руководств (ИЭТР). К представляемой средствами ИЭТР информации относятся данные о составе, структуре изделия, его технических характеристиках, конструкторско-технологических параметрах и эксплуатационных свойствах. В последние годы на базе технологии ИЭТР была сформирована концепция разработки информационных комплексов, использующих корпоративную память. Обобщенная структура, полученная в результате анализа эксплуатационно-технических документов (приведенного подробно в главе 3) представлена в таблице 1.1 и на рисунке 1.1.
Разработка объектно-структурных информационных моделей сложного технического изделия
В настоящее время, несмотря на широкое использование компьютерных технологий, процессы проектирования и производства технических изделий (далее по тексту диссертации технических систем – сокр. ТС) выполняются традиционными методами на основе бумажных носителей. Объем проектных работ, выполняемых с использованием ИПИ технологий (информационная поддержка жизненного цикла изделий), основу которых составляют интегрированные электронные технические руководства (ИЭТР), в настоящее время высок. Основу представлений ТС в ИЭТР и подобных системах составляют структурные модели ТС.
В работе вводиться понятие объектно-структурных моделей техники МЧС (ОСТ). Хотя понятие объектно-структурных моделей ОСТ ранее фор мально не вводились, тем не менее многие ученые в своих работах фактиче ски использовали подобные категории, применяя ту или иную терминоло гию. Например, «Узел-Функция-Объект» — системный подход, представ ляющий систему в виде целостной трехэлементной конструкции, состоящей из узла,функции и объекта (УФО-подход). Во-первых, каждая система харак теризуется определенными видами связей с другими системами. Если связи отсутствуют, то данную систему рассматривать вообще не имеет никакого смысла. При этом, с точки зрения других систем, любая конкретная система представляется перекрестком, то есть узлом, связей, по которым что-либо поступает к ней («втекает») от других и что-либо поступает от неё («вытека ет») к другим. Следовательно, любая система име ет структурную характеристику. Во-вторых, с точки зрения втекающих и вытекающих потоков/связей, каждая система характеризуется функциональными способностями (процессами, функциями), обеспечивающими преобразование «втекающих» по связям ресурсов в «вытекающие» ресурсы. Эти функциональные способности (процессы) обеспечивают баланс «притока» и «оттока» по функциональным связям узла, занимаемого данной системой. Следовательно, любая система имеет динамическую характеристику. В-третьих, с точки зрения функциональных способностей балансировать определенный узел, каждая система характеризуется как материальный объект, реализующий эти функциональные способности (функциональные зависимости), то есть физически осуществляющий эти процессы. Следовательно, любая система имеет субстанциальную характеристику. Данные рассуждения приводят к необходимости единовременного представления любой системы с трех точек зрения: как структурного элемента надсистемы в виде перекрестка связей с другими системами — узла; как динамического элемента, выполняющего определенную роль с точки зрения поддержания надсистемы путем балансирования данного узла — функции; . как субстанциального элемента, реализующего данную функцию в виде некоторого материального образования, обладающего конструктивными, эксплуатационными и т. д. характеристиками — объекта.
Следовательно, разбиение системы на подсистемы, представляющие собой трехэлементные конструкции «Узел — Функция — Объект» (УФО-элементы), обеспечивает единство функциональной и объектной декомпозиций, так как является наиболее адекватным реальной действительности способом представления структуры, состава и функциональности системы, с учетом её взаимодействия со средой. Подход «Узел — Функция — Объект» (УФО-подход) позволяет рассматривать любую систему или предметную область как совокупность взаимодействующих УФО-элементов (как УФО-конфигурацию), так как любое явление действительности (см., например, таблицу) представляет собой структурную часть ещё более целого (взаимо 40 действует с другими явлениями); функционирует определенным образом и при этом является каким-то материальным образованием. УФО-элементы, собранные в различные конфигурации, образуют диаграммы взаимодействия элементов, которые позволяют визуализировать структуру и функциональность элементов системы более высокого уровня. Таким образом, система представляется в виде иерархии УФО-элементов. Данное представление позволяет учесть различные аспекты рассмотрения системы (структурные, функциональные, объектные) в одной системно-объектной модели — УФО-модели.[40]
Однако до настоящего времени отсутствует единство во взглядах на многие аспекты вопроса: область применения моделей, пути их построения.
О моделях процессов пишет ряд авторов [33, 34]. В [34] вводятся понятия технологической модели деятельности, алгоритмической модели деятельности, функциональной модели деятельности и т.п. Все эти понятия используются для обозначения описаний процессов управления технологическими объектами. Таким образом, многие ученые подчеркивают возможность и необходимость создания различающихся по физической природе, но обладающих общими свойствами моделей ТС. К таким общим свойствам относят: принадлежность моделей различных видов к материальным объектам; наличие конкретной степени подобия модели и моделируемой системы, определяемой числом отраженных в модели элементов системы и связей между ними; необходимость ограничения информации о системе при разработке модели.
Описание информационной структурной модели сложного технического изделия по уровню сложности должно быть согласовано с возможностями восприятия их исполнителями эксплуатации и отражением структурных и функциональных свойств. Для этого требуется структурирование описаний и соответствующее разделение представлений об исследуемом изделии на описание, состоящее из набора аспектов, а именно организационного, конструкторского, технологического и операционного. В основе структурного подхода к проектированию на основе рассмотрения иерархических уровней (уровней абстрагирования) в представлении структурных образов объектов. На каждом иерархическом уровне используются свои понятия систем и элементов. [96,105]
На уровне 1 (верхнем уровне) сложный объект S рассматривается как система S из n взаимосвязанных элементов Si. Каждый из элементов в описании уровня 1 представляет собой также сложный объект, который в свою очередь рассматривается как подсистема Si на уровне 2. Элементами подсистем Si являются объекты Sij, j = l, 2, ..., Mi (M – количество элементов в описании системы Si). Как правило, выделение элементов Sij происходит по функциональному признаку. Подобное разделение продолжается вплоть до получения на некотором уровне элементов, которые дальнейшему делению не подлежат (рисунок 2.1).
Таким образом, принцип иерархичности означает структурирование представлений об объектах по степени детальности описаний, а принцип декомпозиции (блочности) – разбиение представлений каждого уровня на ряд составных частей (блоков) с возможность поблочного описания объектов Si на уровне 1, объектов Sij на уровне 2 и т.д. В технических системах базовыми элементами являются детали.
Исследование состава и информационных структур процессов технического диагностирования и эксплуатации ОСТ
ИЭТР – это интерактивное электронное техническое руководство, которое представляет собой структурированный комплекс взаимосвязанных технических данных, предназначенный для выдачи в интерактивном режиме справочной и описательной информации об эксплуатационных и ремонтных процедурах, связанных с конкретным изделием.
Стандарт STEP регламентирует: логическую структуру базы данных (БД), номенклатуру информационных объектов, хранимых в БД, их связи и атрибуты. Типовыми информационными объектами являются такие как данные о составе изделия, материалах, геометрии изделия.
Схема описания изделия в соответствии со стандартом ISO 10303 представлена на рисунке 3.1.
В соответствии с требованиями стандарта ISO 10303 база данных системы PDM STEP содержит информацию о структуре, вариантах конфигурации изделий и включения компонентов в различные изделия. А так же идентификационную информацию об изделии и его компонентах, геометрические модели различных типов или электронные образцы бумажных документов (чертежей), данные об организационной структуре предприятия и соподчиненное количество ее элементов, роли и полномочия людей, данные о процессе разработки: выполненных утверждениях результатов работы, изменениях. Кроме того база данных может содержать ассоциированные с элементами изделия документы, а сами элементы иметь набор функциональных или технических характеристик, измеряемых в различных единицах. Схема описания изделия в соответствии со стандартом ISO 10303
Интегрированная база данных предназначена для решения различных задач, связанных с обработкой данных об изделии. Содержание этих задач и роли людей при их решении предполагает множество точек зрения на данные и дисциплин доступа к данным. PDM STEP Suite представляют собой трехуровневую информационную систему, состоящую из сервера СУБД Oracle 8, сервера приложений и клиентского модуля. Клиентский модуль обеспечивает диалоговое взаимодействие с базой данных через сервер приложений (рисунок 3.2). Пользователь работает с базой данных, представляя ее себе в виде дерева изделия (или пересекающегося семейства деревьев изделий), ветви которого декомпозируются на сборочные узлы, агрегаты и отдельные детали. С элементами дерева связаны документы, данные о выполненных действиях, характеристики. Верхний уровень дерева отображает классификацию данных. К элементам «дерева изделия» присоединяются геометрические модели (например, в формате STEP), электронные чертежи (DWG и пр.) или документы (растровые изображения, текстовые документы или файлы в иных форматах).
Такая информационная система имеет в своей основе данные о ТС, накопленные при разработке и производстве, и все необходимое для применения этих данных на остальных стадиях ЖЦ. Для этого могут использоваться электронные публикации – интерактивные электронные технические руководства на изделия [18]. ИЭТР представляет собой комплекс взаимосвязанных технических данных, хранимых в единой или распределенной системе хранения, и характеризуется следующими особенностями: 1. В основе ИЭТР лежит описательная модель конструкции ТС. 2. ИЭТР подготавливается в автоматизированной системе композиции. 3. ИЭТР включает в себя всю информацию, относящуюся к области применения технического руководства. 4. ИЭТР разрабатывается для отображения на электронном дисплее. 5. Элементы данных в ИТЭР логически взаимосвязаны гак, что пользователь может быстро получить доступ к нужной информации. 6. ИЭТР позволяет в интерактивном режиме предоставлять не только справочную и описательную информацию о конструкции, но и о проведении эксплуатационных и ремонтных операций.
Таким образом, ИЭТР может быть использовано для решения целого комплекса задач, связанных с информационной поддержкой ТС на стадии эксплуатации. В принципе. ИЭТР – это комплекс интегрированных программных средств, который включает в себя базу данных о ТС и правилах её эксплуатации, и электронную систему отображения (ЭСО), предназначенную для визуализации данных и обеспечения интерактивного взаимодействия с пользователем.
Наиболее крупными являются: Организационный аспект связан с отображением основных информационных процессов организации ремонта. Конструктивный (параметрический) аспект связан с реализацией результатов функционального моделирования, т.е. с определением геометрических форм объектов, их взаимным расположением в пространстве и описанием параметров, обеспечивающих функционирование объектов.
Операционный аспект связан с процессами получения, логической обработки и хранения информации о состоянии системы, выбором параметров для контроля работоспособности и локализации неисправностей.
Операционный аспект основывается на функциональном и параметрическом аспектах и является их логическим завершением.
Технологических аспект связан с описанием характеристик объектов с точки зрения технологии их восстановления, методов, сил и средств для организации восстановления.
Объединение функционального, конструкторского (параметрического), диагностического и технологического аспектов в многослойную структуру хранилища документов и многоаспектную структуру базы знаний (БЗ) (рисунок 3.3).
Разработка формального представления обобщенной базы знаний для концептуальных предметных областей эксплуатации
Двоичный код состояния знаний о месте отказа в объекте образуется с соблюдением аналогичных правил. Число разрядов в нем также совпадает с числом функциональных элементов модели объекта. Нули ставятся в тех разрядах, которые совпадают с номерами проверенных функциональных элементов при условии, что эта проверка подтвердила их исправность. Единицы ставятся в разрядах, совпадающих с номерами функциональных элементов, которые еще не проверены или среди которых в результате проведенных проверок можно предполагать наличие отказавшего элемента.
В исходном состоянии все элементы еще не проверены, поэтому код его состоит из одних единиц, число которых совпадает с числом функциональных элементов модели объекта.
Полная матрица отказов систем (элементов) ОСТ - квадратная матрица, столбцами которой являются коды я,- є П строками - коды состояний объекта при отказе соответствующего элемента. Наличие единиц в /-й строке на месте, определяемом неравенством / означает независимость j-гоэлемента от /-го, т.е. если функциональный элемент охватывается проверкой, то на пересечении соответствующей строки и столба ставится «ноль», в противном случае - «единица»
Полную матрицу отказов можно построить из матрицы доступности взяв инверсные значения и полагая, что при / = j элемент матрицы равен 0 (рисунок 4.8). Схема алгоритма формирования полной матрицы отказов из матрицы доступности 3.4. Построение минимизированной матрицы отказов систем (элементов) я всех конструктивных уровней ОСТ. Минимизированная матрица строится на основе полной матрицы отказов, при этом выходы, являющиеся разветвляющимися, исключаются при минимизации. Столбцы этой матрицы соответствуют кодам разрешенных проверок.
Четвертый этап – Формирование областей поиска отказов систем (элементов) ОСТ[20]. Формирование областей поиска отказов основывается на анализе областей влияния и влияющих областей, для построения которых используется матрица доступности, строки которой показывают влияющие области, а столбцы – области влияния.
Для образования области первого приближения для моноотказа необходимо: 1. Исходя из наличия информации на выходе системы о симптомах, признаках нормы и неопределенностях, разметить столбцы матрицы доступности индексами 0 и 1 (отказ и норма соответственно). 135 2. Найти пересечение подмножеств столбцов пТMi(0), которые помечены индексом 0,выполнив для них операцию логического умножения (AND). 3. Найти объединение подмножеств столбцов иТMi(1), помеченных индексом 1, применив для них операцию логического сложения (OR). 4. Найти пересечение пТMi(0) и объединения иТMi(1), выполнив для них логического умножения (AND), что и дает область поиска первого приближения.
1. Исходя из наличия информации на выходе системы о симптомах, признаках нормы и неопределенностях, разметить столбцы матрицы доступности индексами 0 и 1 (отказ и норма соответственно).
2. Найти объединение столбцов матрицы доступностииТMi(0), помеченных индексом 0, применив для них операцию логического сложения (OR).
3. Найти объединение столбцов матрицы достижимости иТMi(1), помеченных индексом 1, применив для них операцию логического сложения (OR).
4. Найти разность uTMi(0)uTMi(1), применив для сформированных областей операцию логического отрицания ИЛИ (XOR), что и дает область поиска M (0) первого приближения.
Вычисление априорных вероятностей положительного результата разрешенных проверок по формуле 3.19 : МН Чг г=1 Вычисление информативности каждой из разрешенных в данном состоянии проверок по формуле : Эта проверка разобьет исходное состояние на два информационных состояния. Каждое из них можно рассматривать как новый объект, состоящий из тех непроверенных элементов, которым в коде состояния соответствуют единицы.
Определение информационного состояния, соответствующего по ложительному результату проверки. Информационное состояние, соответствующее положительному исходу проверки получается перемножением кода исходного состояния на код этой проверки. Определение информационного состояния, соответствующего от рицательному результату проверки. Информационное состояние, соответствующее отрицательному исходу юрки получается перемножением кода исходного состояния на код инверсной проверки. Повторение пунктов 5.1-5.7. Для вновь введенных объектов (положительных и отрицательных областей) процесс повторяется. Расчет заканчивается тогда, когда коды, после проведения очередной проверки в каждой ветви программы, будут содержать по одной единице.
Поставить в соответствие каждой вершине сформированного графа код технологии восстановления, состоящий из четырех разрядов, где первая цифра соответствует организационному уровню восстановления, вторая – конструктивному уровню восстановления, третья – номеру типовой задачи восстановления и четвертая – номеру типовой операции восстановления.
Поставить в соответствие каждой дуге сформированного графа последовательность проведения работ, необходимое для их выполнения время, силы и средства восстановления, а также приспособленность систем (элементов) ОСТ к восстановлению по правилам, описанным выше.
