Содержание к диссертации
Введение
1. Основные принцшш. организации програмного обеспечения диалоговой системы
1.1. Иерархия базы знаний разрабатываемой системы. * 23
1.2. Семантическая.сеть функциональных фреймов 28
1.3. Язык описания локальных предметных областей знании 33
1.4. Требования на прикладное обеспечение . 37
1.5. Принцип организации функциональной схемы, системы 38
2. Описание диалоговой системы коллективного пользования для автоматизированного исследования и проектирования систем управления система
2.1. Общая схема функционирования системы. 44
2.2. Реализация семантической сети сдункциональных фреймов 48
2.3. Язык описания локальных предметных областей знаний 53
2.4. Методика пополнения базы знаний 63
2.5. Методические указания пользователю по работе с системой ,„# 68
3. Опыт практического применения системы
3.1. Загрузка системы 72
3.2. Пример пополнения базы знаний методами анализа линейных непрерывных стационарных систем управления 75
3.3. Включение в систему метода параметров пространства состояний для синтеза линейных непрерывно-дискретных
систем стабилизации 85
3.4. Пример работы пользователя 91
Заключение 96
Литература
- Семантическая.сеть функциональных фреймов
- Принцип организации функциональной схемы, системы
- Язык описания локальных предметных областей знаний
- Пример пополнения базы знаний методами анализа линейных непрерывных стационарных систем управления
Введение к работе
Расширение автоматизации проектно-коштрукторских и научно исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники определено решениями партии и правительства как направление, требующее скорейшего развития. Диалоговые системы слунат базой для создания систем автоматизации проектирования и исследования, позволяют "приблизить" пользователя к сВМ, расширить круг лиц, привлекаемых к работе на Ш за счет развития языков общения с ЗВМ, сокраают сроки разработки с одновременным повышением качества работ.
ВЛ. Содержание работы
Во введении дан обзор некоторых диалоговых систем для автоматизации проектирования и расчета систем управления, приведены их характеристики. Рассмотрен типовой процесс проектирования и расчетов с ШМ, проблема представления знании в ЦВМ, описаны фуНКПЇЇовальные фреймы.
В первой главе рассматривается принцип организации програмного обеспечения диалоговой системы для автоматизированного исследования и проектирования систем управления. Рассмотрено представление базы знаний в виде трехуровневой структуры,обеспечивающее кадцол категории пользователей общение с базой знаний на доступном языке. Рассмотрены функциональные фреймы и способ их представления,яоїк описания локальных, предгл етшх областей знаний и требования на язык,как средство создания диалоговых процедур для решения типовых задач:. Далее рассмотрены требования на прикладное и информационное обеспечение, состав модулей, обеспечивающих функционирование системы.
Во второй главе дано описание диалоговой системы коллективного пользования для автоматизированного исследования и проектирования систем управления - система КИПАРИС, реализующей основные принципы, изложенные в первой главе. Рассмотрена общая схема функционирования диалоговой системы, предложенная реализация функциональных фреймов, состав языка описания локальных предметных областей знаний. Приведена методика пополнения базыы знаний и методика работы конечного пользователя в диалоговой системе. В третьей главе рассмотрен опыт практического применения системы. Рассмотрены вопросы практической реализации на примерах включения в систему методов анализа и синтеза линейных стационарных систем управления, приведены примеры работяг пользователей.
В приложении собраны акты о внедрении системы КИПАРИС в учебных организациях и предприятиях, приведена семантическая сеть реализованная в базе знаний, дана инструкция по постановки и запуску диалоговой системы, приведены примеры работы пользователей.
В.2. Анализ подходов к автоматизации проектирования и исследования систем управления
Как объект проектирования системы управления выделяются среди прочих объектов разнообразием форм описаний, наличием большого количества функциональных узлов, взаимными связями составных элементов. В общем случае в рассмотрении системы управления присутствуют объект управления, среда, исполнительный орган, закон управления. Определенные категории разработчиков систем управления оперируют с различными формами представления составных элементов системы управления. К таким формам представления систем управления следует отнести структурные схемы, системы дифференциальных, интегральных, алгебраических уравнений или их комбинацию. Ограниченные возможности терминалов современных ЭВМ заставляют разрабатывать специальные языки описания систем управления, которые могут использовать стандартный алфавитно-цифровой дисплей. Такими разработками является язык структурных схем системы МЛ СИ ME Ивановского политехнического института // / , язык описания топологии и моделирования управляющих систем 0ІІТШУС Марийского политехнического института им.Горького /2/, язык описания предметной области диалогового формирователя программ анкетного типа диалоговой системны D 80S.0Z кафедры "Дифференциальные уравнения и математическая теория управления" МАИ /3/, язык ввода структурных схем системны BUCH/W факультета "Системы управления" МАИ /4/. Кавдыый из этих языков обладает определенными преимуществами и все они ориентированы на использование стандартного алфавитно-цифрового дисплея. Ввод систем управлений, описывающих исследуемую систему управления диктуется языком программирования и принятыми обозначениями.
Использование стандартных устройств ввода-вывода для проектирования и исследования систем управления ограничивает входной алфавит и возможности языковых средств общения с ЭВМ, что позволяет рассматривать автоматизацию проектирования и исследования систем управления как частную задачу проектирования и ииеле-дования объектов. При этом возмогши различные подходы к автоматизации процесса проектирования и исследования.
С позиций системотехники управление любым процессом (управление производством, конструкторским бюро и др.) есть процесс запаанированного изменения информации, в котором можно выделить две самостоятельные функции - планирование и собственно упра вление на основе алгоритма управления. Планирование, в свою очередь, включает в себя определение дели, установление возможностей, разработку программ выполнения достаточного плана. А собственно управление состоит в разработке оперативного плана и исполнения. К тому же, как на этап планирования, так и на этап управления могут воздействовать внешние помехи. Такая обобщенная схема процесса управления изображена на рис. B.I. Автоматизация такого процесса - семиотическая система с человеком в контуре ynj равления; объектом управления в такой системе является процесс проектирования (исследования).
С позиций системного программиста система автоматизирован-ногоп проектирования или исследования - это человеко-машинная система, в которой пользователь (оператор) посредством управляющей программы взаимодействует с банком данных и специальным математическим обеспечением системы. Под специальным математическим обеспечением системы понимаются подсистемы, решающие большие самостоятельные задачи, такие, например, как выбор формы летательного аппарата, решение прочностных задач, проектирование систем управления,, проектирование двигательных установок и т.п. (рис. 3.2).
Возможно рассмотрение задач автоматизации проектирования и исследования с позиций систем искусственного интеллекта. Под системой искусственного интеллекта понимается система, которая доопределяет, уточняет введенные данные с целью получения решения, удовлетворяющего пользователя. Системы искусственного интеллекта и им подобные системы, такие как интеллектуальные системы программирования (ИСПРОГ), интеллектуальные банки данных (ИВД), интеллектуальные вопросно-ответные системы (ИВОС), ориентированы на обработку входной информации на естественном языке. Обработка состоит из преобразования входной информации во внутреннее представление с использованием ЛИНГ-, СЕМ- и ФОРМ-процессоров, выполнения необходимых действий и выдачи ответа. Создание СИРІ требует решения таких задач, как распознавание фраз естественного языка, рредставление знаний,.целенаправленный поиск решений, адаптация и обучение.
Возможно рассмотрение автоматизации проектирования и исследования с позиций эвристического программирования. Использование ЭВМ для решения различных научно-технических задач основано, главным образом, на ряде допущений, упрощающих представление о моделируемых с их помощью реальных процессах. Такое абстрагирование позволяет с определенной степенью точности в заданные отрезки времени получать приемлемое решение. Для процессов проектирования, пожалуй, невозможно построить более или мннее точную математическую модель. Попытка упрощения процесса проектирования сводит на нет сам "процесс проектирования , более всего сводит его к узкой задаче расчета. Эвристическое программирование занимается моделированием процесса творческого мышления человека, решающего определенный класс задач. В орределенной степени формирование логики функционирования систем, решающих правил и т.п. есть частный случай эвристического программирования.
Рассмотрим подход к созданию СІШР динамики систем управления различных классов (по виду математических моделей систем) и типов (по типу объектов управления), разрабатываемый на кафедре "Дифференциальные уравнения и математическая теория управления" под руководством проф. В.В.Семенова /5/ (рис. В.З). В основе подхода лежит типовой "технологический" процесс проектирования динамики систем управления с использованием ЦВМ, состоящий из этапов постановки задачи, составления алгоритма, написания программ, отладки, итогового счета и анализа результатов. Имеем замкнутый на информационном уровне процесс. Несовершенство этого процесса заключается в непомерно большой продолжительности работ по написанию, набивке и отладке программ. Это объясняется многими причинами, среди которых может быть и отсутствие непосредственной связи с ЭВМ, и плохая информация о существующих ПШІ, и возможные ошибки исполнителей. Диалоговые редакторы, системы разделения времени позволяют приблизить пользователя к ЭВМ. Однако, большинство причин, замедляющих получение результата, остается. Сокращение времени получения результата можно получить уменьшением затрат на написание, отладку программ, заменяя, на первых порах, эту работу формированием типовых заданий, а в дальнейшем возможна и автоматизация работы по составлению произвольных программ. В предложенной схеме САПР эта рутинная работа перекладывается на диалоговый формирователь программ (ДФП). Связь ДФП с пользователем осуществляется через дисплей.
Пользователь может работать в двух режимах формирования программ: директивном и диалоговом. Директивный режим предполагает инициативу от проектировщика при вводе заданий. В простейшем случае это алгоритмический язык программирования. Предполагается обработка фраз естественного или ограниченного естественного языка. Диалоговым способом формирования программ принято называть формирование программ, основанное на анализе ответов пользователя, поступающих через дисплей на запросы ФВМ. Инициатива в данном случае за ЭВМ. Верное формирование программ при диалоговом способе гарантируется заранее сформированными вопросами с регламентированными ответами, которые однозначно истолковываются ЭВМ. Возможно включение в систему диалога и при дальнейшем прохождении программ, то есть при работе редактора связей, загрузчика и при исполнении программы.
Работа ДФП, система вопросов, возможные действия системы и т.п. действия должны быть описаны в специальной части, называ емой базой знаний, которая является моделью внешнего мира для ЭВМ.
В.З. Представление знаний в ЭВМ
Как правило, каждую программную систему ориентируют на некоторую область человеческой деятельности (профессиональный интеллект) , реализация которой в ЭВМ в терминах искуственного интеллекта носит название предметной (проблемной области), модель которой иногда называют базой знаний системы. Для описания предметной области предпочтительным является естественный язык или ограниченный естественный язык. В создании предметных областей процессов проектирования и исследования используется широкий круг специалистов. Это системные аналитики, являющиеся специалистами по решаемой проблеме, но не работающие на ЭВМ самостоятельно, прикладники, решающие частные задачи проектирования и исследования, и системные программисты, сопровождающие и разрабатывающие специальные программные средства. Основную идеологию процессов проектирования и исследования закладывают системные аналитики, привлечение которых к непосредственной работе на ЭВМ возможно при наличии доступных средств общения с базой знаний, Проблема представления знаний в ЭВМ привела к созданию систем представления знаний. Принято различать декларативные, процедура льные и специальные системы представления знаний.
Характерная черта декларативных моделей - описание состояний в виде мнокества утверждений, независимых от того, где их используют. Считается, что декларативные модели обладают наиболь- шей общностью. При декларативном представлении имеет место четкое разделение рроцедуры поиска решения и процедуры оптимизации этого поиска, который, как правило, является полным перебором. Реализация эффективных методов поиска в таких системах приводит к сужению ПО, при этом теряется общность и универсальность. То есть введение семантики в описание предметной области по сути дела приводит декларативные модели знании в класс специальных моделей.
Процедуральное представление знаний характеризуется заданием процедур преобразования. В любой момент времени обрабатывается только локальный участок специально организацанных данных. Реализуются специальными языками типа Pl/?NNBfl., С $ Р , СИМСКРМПТ ъ др. Эти языки представляют возможность сочетать универсальность механизмов обработки данных и управляемость со стороны пользователей- Отличительная черта процедурального представления знаний от декларативного представления заключается в представлении знаний в виде процедур, программ. Выигрыш - экономия памяти, проигрыш - сложность поиска решений в неполностью описанных ПО. Введение семантики уменьшает время поиска.
Объединение этих двух классов представления знаний порождает специальный класс представления знаний так называемых семантических сетей и, как дальнейшее развитие семантических сетей, получившее самостоятельное направпение - семантические сети фреймов, в которых удачно сочетаются декларативные и процедуралъные средства представления знаний. Фрейм является локальной семантической сетью для получения единиц информации и содержит средства для преобразования информации внутри него и связи с другими фреймами (6, 8). Программная реализация фреймов возможна с использованием языков представления знаний, из которых следует отметить К R L и его доработку для реализации фреймов н FP L , в основе которых лежат возможности языка структур LISP . Ни один из названных языков еще не входит в стандартное обеспечение операционных систем.
Предлагаемые обычно примеры использования фреймов относятся к так называемым задачам прямого счета и распознавания. Объясняется это рядом причин, среди которых следует отметить направленность работ - изучение процесса мышления человека на примерах поиска обобщения и вывода суждений. Обычная в таких случаях нагрузка на фрейм - это установление связей с классом, к которому относится данный предмет, со свойствами, выделяющими данный предмет (фрейм) из класса, с примерами данного понятия. Богатство естественного языка синонимами, ононимами, наличие профессионального диалекта усложняет обработку. Ограниченные ресурсы ЭВМ заставляют вводить фиксированные связи между понятиями. Если же ограничиться вводом понятий и функциональных зависимостей то возможно создание профессиональных предметных областей знаний (профессионального интеллекта) с эффективными процедурами обработки.
Такая работа была проделана проф. В.В.Семеновым, который для целей описания базы знаний САПР по расчету динамики систем управления ввел классификационные, директивные и смысловые связки фреймы /5, 7/.
Классификационный фрейм выполняет роль указателя в типовых ситуациях, он может быть иерархическим, имеет имя и возможные значения имени. Например, "классификация задач анализа" - имя фрейма, а перечисление возможных решаемых задач - возможные значения имени. Разрешается классификационный фрейм пользователем при выборе одной из предлагаемых альтернатив. Иерархия в классификационных фреймах порождается либо вызовом других классификационных фреймов, либо в самом фрейме разрешением связок типа "и - или". Например, "классификация системы управления" это "и" линейность, "и" непрерывность и т.д.
Фрейм смысловая связка содержит сказуемое "требует" в предложениях типа "Решение задачи ... требует ...", или "Для .... требуется указать ...". Назначение фрейма смысловая связка состоит в определении необходимых классификационных фреймов на конкретном этапе работы с базой знаний. Например; "Работа с пользователем в системе требует указания" режима работы, типа решаемой задачи. В смысловых связках могут быть условные операторы.
Директивный фрейм предназначен для выполнения приказа пользователя о конкретных значениях переменных, имен и т.п., что придает индивидуальность работе пользователя с базой знаний.
Удобство предлагаемого аппарата для реализации знаний конкретных предметных областей можно продемонстрировать на простом примере. Для описания предметной области по решению обыкновенных дифференциальных уравнений (классификационный фрейм) по крайней мере необходимо задать (фрейм смысловая связка): вид уравнения (классификационный фрейм); метод (классификационный фрейм); ввести уравнения (директивный фрейм); ввести начальные условия, интервал (директивный фрейм). Графическое изображение сети фреймов обладает хорошей наглядностью. Специалисту аналитику нетрудно и полезно представить свою область исследования в виде такой семантической сети фреймов. Совместное пополнение базы знаний ЭВМ группой пользователей аналитиков заставит "чистых" пользователей такой системы говорить одним языком, однозначно использовать один и тот же аппарат терминов, что имеет, вообще говоря, принципиальное значение. Ведь, порой коллективы, мало связанные между собой и работающие в одной области, говорят как бы на разных языках и только после определения понятий начинают говорить понимая друг друга.
Б.4. Обзор диалоговых систем автоматизированного исследования и проектирования систем управления, основные характеристики.
Диалоговые системы, являясь частью общесистемного или специального программного обеспечения ЭВМ, тесно связаны с типом ЭВМ, ее конфигурацией, типом операционной системы, требованиями пользователей. Причем, пользователи, как потребители диалоговых систем, оказывают существенное влияние как на требования, предъявляемые к диалоговым системам, так и на их характеристики. Персонал ВЦ излагает свои требования, которые сводятся в основном к максимальной загруженности центрального процессора и минимальному объему требуемой оперативной памяти, то есть хорошей будет та система, которая не снижала быы производительности ВЦ (количество заданий в единицу времени). Требования пользователей весьма разнообразны, зависят от решаемых задач и могут включать как требования диалога на естественном языке (или ограниченном естественном языке), так и требованиями интерактивного счета, сборки программ на языке пользователя и т.п. На характеристики диалоговых систем влияет и комплектность оборудования, недостаток которого может снижать характеристики диалоговых систем. Все это делает затруднительным оценку диалоговых систем. Рассмотрим некоторые из характеристик, по которым принято оценивать диалоговые системы:
1) время реакции системы - время с момента ввода пользователем запроса до момента появления следующей информациии;
2) пропускная способность системы - число вдиниц работы (сообщений, команд, шагов задания), которые система может исполнить в единицу времени;
3) загруженность системны - доля ресурсов диалоговой системы (время центрального процессора, каналов, объем оперативной памяти, загруженность периферийных стройств), которые фактически были использованы в течение заданного периода времени.
Доступность вычислительных средств, привлечение к работе на ЭВМ специалистов-аналитиков, пользователей программистов позволяет выдвинуть еще ряд характеристик, которые не могут быть заданы в каком-то количественном измерении, но могут быть оценены экспертами. Например, такие, как язык общения с системой, средства синтаксического контроля, универсальность системы в применении к различным областям знаний, информационное обеспечение, сервис для пользователей и разработчиков и т.п. Перечнеленныые ниже системы будут рассмотрены с оценкой по некоторым ля этих показателей.
Сравнительные характеристики диалоговых систем.
Диалоговая система DIAL кабинета дипломного проектирования МИШ /8/. Входной язык системы - язык программирования высокого уровня, подобный языку Фортран с введением матричных операций. Язык несложен, понятен прикладникам, но далек от естественного языка проектировщиков и исследователей систем управления. Система расситана на работу с готовыми программными модулями, что не требует трансляции, обеспечивает мапое время реакции, возможность интерактивного исполнения программ. К недостатку следует отнести отсутствие общения на профессиональном языке проектировщиков и исследователей, создание прикладного обеспечения требует значительных затрат, сложность модификации и перестройки на решение других задач.
Многоцелевая автоматизированная система имитационного моделирования (МАСШЭ), разрабатываемая в Ивановском политехническом институте /I/. Система содержит компоненты современных диалоговых систем: базу знаний исполнитель, преобразователь входно го языка во внутреннее и обратно. В основе программной реализации лежит использование R ТК - технологии. Как недостаток такой системы следует отметить ее узкую направленность - проектирование электропривода, разрабатываемое обеспечение ориентировано на решение только этой, хотя и обширной, задачи. Время реакции системы, очевидно, сравнимо с временем реакции систем, требующих для выполнения трансляции и редактирования.
Учебно-исследовательская система автоматизированного проектирования систем автоматизированного управления (УИ САПР САУ) Марийского политехнического института представляет собой комплекс программ для оказания помощи инженеру проектировщику при поиске структурной схемы САУ /2/. Реализован алгоритм оптимизации и параметрического синтеза линейных САУ. Входной язык - язык описания структурных схем, за каждым типом звена закреплено свое условное изображение. В процессе вводца структурной схемы можно определить входной сигнал, выходной, разветвление, суммирование сигналов. Коэффициенты типовых звеньев вводятся после получения уравнения связи. В структурную схему комплекса входит транслятор с входного языка, модули формирования математической модели, пакетп прикладных программ.
Система рассчитана на работу одного пользователя, у нее нет средств связи с дисплеем, отсутствуют программные средства развития базы знаний - все это относит систему к комплексу программ, решающему частные задачи исследования САУ.
Система "ДИАФОР", разработанная лабораторией ОНШГ МП МАИ /9/ является универсальной многофункциональной системой, обеспечивающей в диалоговом режиме включение программ в систему, организацию диалога при формировании задания, редактирование и исполнение. Это обеспечивается выбором соответствующего режима работы системы. Принцип работы заключается в формировании задания в виде образов перфокарт в последовательном файле магнитного диска и назначении системного ввода на эту область. Причём формируются все карты, начиная с управляющей 306 и кончая картой конца задания. В системе ДИЛФОР реализован язык IA/F для формирования фрагментов задания, обеспечивается простота организации диалога. Как недостаток этой системы следует отметить отсутствие возможности запроса больших массивов данных предварительно подготовленных и подлежащих исправлению,то есть таблицы и другая предварительно размеченная информация.В системе не предусмотрено формирование текста задания на языке ассемблер,Это ограничивает возможности формируемых программ.
Интересной работой этого коллектива является диалоговый монитор,предназначенный для организации диалога по ШІП. Прикладное обеспечение тся паспортом, на основании которого организуется диалог. К недостатку диалогового монитора следует отнести большое время реакции в процессе вычисления размерностей массивов,данные о которых получены во время диалога, что связано с медленной работой макрогенератора на языке PJI/I. Обе системы являются модульными системами,внесение прикладного обеспечения в них требует унификации всех переменных.
Система ДЙСДАК /4/ является модульной системой,ориентированной на конечного пользователя - проектировщика и исследователя САУ, В системе тщательно продуман диалог с пользователем , включены сервисные функции, учёт и т.п. ДИШІАК является системой коллективного пользования, используется для учебного процесса и НИР. Малое время реакции на запросы пользователей обеспечивается работой с загрузочными модулями, но это приводит к тому, что модификация возможностей системы связана с обязательным изучением имеющегося прикладного обеспечения.
Система ПРИЗ /10,11/ предназначена для автоматизации со ставлення рабочей программы и ее решения из имеющихся в ее памяти программных модулей и вычислительных моделей. Как интеллектуальная система она содержит организующую и технологическую системы. Организующая система (программа) включает совокупность служебных программ, работа которых не зависит от предметной области, выполняет работу по переводу со входного языка во внутренний, по определению необходимых модулей рабочей программы для решения задачи. Технологическая система (программа) организует решение рабочей программы, формирование типовой программы, предъявление результата. Представление знаний в системе ПРИЗ реализовано с помощью непроцедурного языка УТОПИСТ, в системе имеется предпроцессор обработки со входного языка на язык представления знаний. Система удобная для решения простых задач, пользователь может сам вводить новые постановки типовых задач. К недостатку системы следует отнести сложность организации обмена между модулями, что приводит к организации банка данных, объем которого для больших предметных областей может быть значителвн.
Б.5. Постановка задачи, новизна работы
Анализ существующих диалоговых систем для целей исследования и проектирования систем управления показывает, что общим их недостатком следует считать невозможность активного и непосредственного привлечения системных аналитиков к работе по наполнению базы знаний. Такая работа требует либо знаний специальных языков, либо связана с выполнением специальных требований на вносимое прикладное обеспечение. Все это замедляет внесение нового прикладного обеспечения. Диалоговые системы ориентируют на конечного пользователя - пользователя не обязательно владею щего языком программирования, поэтому желательно общение пользователя на языке, близком к естественному. То есть язык конечного пользователя диалоговых систем близок к языку системных аналитиков. С этой точки зрения необходимо внесение знаний системных аналитиков в базу знаний диалоговых систем. Рассматривая типовой процесс получения результата с привлечением ЭВМ следует отметить, что задания, выдаваемые системными аналитиками выполняются прикладниками и исполнителями, при этом системных аналитиков не интересуют детали в реализации прикладного обеспечения, т.е. связь системных аналитиков с программой минимальная и отсутствуют формальные зависимости в формировании программ и языком постановки задач. Это вопрос интеллектуального формирования программ, рассматриваемый в интеллектуальных системах программирования .
Необходимы эффективные программные средства для системных аналитиков по формированию базы знаний диалоговых систем, обеспечивающие связь с разработчиками прикладного обеспечения.
Целью данной работы является разработка математического программного обеспечения диалоговой системы коллективного пользования для автоматизированного исследования и проектирования систем управления с базой знаний иерархической структуры, позволяющей объединить предметные области знаний системных аналитиков и прикладников, реализованные доступными для каждой категории пользователей средствами реализации предметных областей знаний.
Новизна такого подхода состоит в том, что впервые реализуются на ЭВМ функциональные фреймы и их объединение в семантические сети, что позволяет говорить о первой реализации принципа семантического программирования для задач исследования и проектирования систем управления.
На защиту выносятся;
Ї. Иерархическая база знаний диалоговой системы как реализация принципа семантического программирования.
2. Математическое и программное обеспечение диалоговой системы коллективного пользования для автоматизированного исследования систем управления: средства реализации щункционалвьгх фреймов, яззк описания локальных предметные областей знаний.
Результаты работы докладывались на Всесстной конференции по автоматизации проектных и конструкторских работ в г. Москве /23--25 октября IS79 г./» на П Всесо пшл научно-техническом совеща-вші по созданию н внедрению автоматизированных к автоматических систем управления непрерывных и днскретно-пепрерьтяых технологических процессов в г. Їїваново-Франковоке /3-5 сентября 1980 г./, на Ш Всесоюзном совещании по автоматизации проектирования систем автоматического иавтоматизированного управления технологическим процессом Б г. Иваново /16-18 сентября 1981 г./, на первой Всесоюзной научно-технической конференции по синтезу и проектированию многоуровневых систем в г. Барнауле /22-24 октября 1982 г./
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. ГГерепелкин Г.А,,,ОлейнжченгомЛ.Г. Диалоговый формирователь программ автоматизированной системы, исследования дискретных САУ - Тезисы докладов Всесоюзной конференции п.о автоматизации, проектных и конструкторских работ.М., МАИ, I97S, с.381.
2. Перепелкин Г.А.,Олейниченко Л.Г.Диалоговая система исследования дискретных САУ - В сб.: Переработка шформации в задачах управления, ІЛ., ММ, 1980, с. 22-26.
3. Перепелкин Г.А. Реализация сети шрейыов с помощью таблиц - В сб.: Общее математическое обеспечешіе систем автоматизированного проектирования. М., МАИ, 1981, с. 54-58,
4. Семенов В.В.ДЇерепелшш Г.А.,Савушкин С.А. Языки представления знании для ввода и формирования задании в системе автоматизированного расчета систем управления - В материалах конференции: Синтез и проектирование многоуровневых иерархических систем. Барнаул, Ї938, с. 135-14 .
5. Перепелкин Г,А. Применение "языка автора" для описания базы знании в диалоговой системе - В об.: Системное и прикладное обеспечение автоматизации проектирования систем аправлеюш. М., МАИ, 1983, с. 3-17.
Семантическая.сеть функциональных фреймов
Анализ существующих диалоговых систем для целей исследования и проектирования систем управления показывает, что общим их недостатком следует считать невозможность активного и непосредственного привлечения системных аналитиков к работе по наполнению базы знаний. Такая работа требует либо знаний специальных языков, либо связана с выполнением специальных требований на вносимое прикладное обеспечение. Все это замедляет внесение нового прикладного обеспечения. Диалоговые системы ориентируют на конечного пользователя - пользователя не обязательно владеющего языком программирования, поэтому желательно общение пользователя на языке, близком к естественному. То есть язык конечного пользователя диалоговых систем близок к языку системных аналитиков. С этой точки зрения необходимо внесение знаний системных аналитиков в базу знаний диалоговых систем. Рассматривая типовой процесс получения результата с привлечением ЭВМ следует отметить, что задания, выдаваемые системными аналитиками выполняются прикладниками и исполнителями, при этом системных аналитиков не интересуют детали в реализации прикладного обеспечения, т.е. связь системных аналитиков с программой минимальная и отсутствуют формальные зависимости в формировании программ и языком постановки задач. Это вопрос интеллектуального формирования программ, рассматриваемый в интеллектуальных системах программирования .
Необходимы эффективные программные средства для системных аналитиков по формированию базы знаний диалоговых систем, обеспечивающие связь с разработчиками прикладного обеспечения.
Целью данной работы является разработка математического программного обеспечения диалоговой системы коллективного пользования для автоматизированного исследования и проектирования систем управления с базой знаний иерархической структуры, позволяющей объединить предметные области знаний системных аналитиков и прикладников, реализованные доступными для каждой категории пользователей средствами реализации предметных областей знаний.
Новизна такого подхода состоит в том, что впервые реализуются на ЭВМ функциональные фреймы и их объединение в семантические сети, что позволяет говорить о первой реализации принципа семантического программирования для задач исследования и проектирования систем управления.
На защиту выносятся;
1. Иерархическая база знаний диалоговой системы как реализация принципа семантического программирования.
2. Математическое и программное обеспечение диалоговой системы коллективного пользования для автоматизированного исследования систем управления: средства реализации щункционалвьгх фреймов, яззк описания локальных предметные областей знаний.
Результаты работы докладывались на Всесстной конференции по автоматизации проектных и конструкторских работ в г. Москве /23--25 октября IS79 г./» на П Всесо пшл научно-техническом совеща-вші по созданию н внедрению автоматизированных к автоматических систем управления непрерывных и днскретно-пепрерьтяых технологических процессов в г. Їїваново-Франковоке /3-5 сентября 1980 г./, на Ш Всесоюзном совещании по автоматизации проектирования систем автоматического иавтоматизированного управления технологическим процессом Б г. Иваново /16-18 сентября 1981 г./, на первой Всесоюзной научно-технической конференции по синтезу и проектированию многоуровневых систем в г. Барнауле /22-24 октября 1982 г./
Принцип организации функциональной схемы, системы
Наличие языка формирования заданий позволяет снизить требования на прикладное обеспечение. Действительно, поскольку нет ограничений на язык формируемой программы, то требования на прикладное обеспечение можно свести к требованиям, предкявляемым на пакеты прикладных программ. Организацию связи по данным и управлению несет разработчик прикладного обеспечения. Внутри пакета прикладных программ может быть любая структура, включая модульные системы.
В частности, для прикладного обеспечения по расчету систем управления необходимо унифицировать представление исследуемых систем управления, сводя иное представление исследуемых систем к принятому. Для систем управления распространенной формой представления является система дифференциальных уравнений, в частности, для линейных систем - системой дифференциальных уравнений в нормальной форме Коши. Для работы ряда методов по расчету линейных стационарных систем необходима векторно-матричная форма представления исследуемых систем, и, в частности, значения соответствующих матриц. Эти две формы представления следует объединить, выводя, например, значения коэффициентов матриц из векторной записи правых частей дифференциальных уравнений. Наличие таких программных средств значительно упростит работу конечного пользователя по вводу исследуемых систем управления, избавит его от неизбежных ошибок при раздельном вводе правых частей дифференциальных уравнений и соответствующих матриц. То же самое можно сказать о программном обеспечении по приведению иных форм представления к системе дифференциальных уравнений.
Предложенные требования не вносят существенных ограничений на прикладное обеспечение, тем более, что допустимо и иное пред сгавление, введенное разработчиком прикладного обеспечения.
Необходимым условием разрабатываемых диалоговых систем является рациональное использование ресурсов ЭВМ, то есть центрального процессора и оперативной памяти. В замкнутом информационном цккле: формирование заданий, трансляция, загрузка, выполнение, обработка полученных данных и, если нужно, снова формирование задания и т.д., ресурсы ЭЕМ используются явно неодинаковы. Время работы процессора формирования заданий определяется реакцией пользователя, а;: требуемая память определяется программой формирования, которую нужно приравнять к диалоговым редакторам исходных текстов, то есть не более 10-12 КБ на терминал. Центральный рро-цессор используется незначительно. Трансляция, если нужно, редактирование, и загрузка - каждый из этих этапов для стандартных заданий требует 80-100 КБ оперативной памяти и 30-150 с машинного времени (дашше по ЭВМ 1033). Требования на ресурс ЭВМ сформированных программ весьма разнообразны. Это может быть и длительное время счета, и большой размер ОП, и то и другое одновременно. Обработка полученных данных - чтение результатов счета, осмысливание и принятие решения о дальнейших действиях, ресурсы ЭВМ используют незначительно.
Рациональное использование ресурсов ЭВМ можно достичь совмещением счета сформированной программы с чтением и обработкой результатов счета. Стандартный прием, использование контрольных точек, требует доработки прикладного обеспечения. Более приемлемым можно считать организацию одновременного чтения выходных результатов с выполнением счетной программы и возможностью прерывания счета, если ато необходимо. В данном случае мокно говорить о поевдоинтерактквном режиме диалоговой системы.
На рис. 1.5. приведена схема замкнутого цикла, включающего этапы формирования программы» исполнение, обработку результатов. Независимость прикладного обеспечения и программ пользователей гложет быть обеспечена специальной программой, "перехватывающей" операции ввода-вывода исполняемой программы и организующей эти действия с соглашениями, принятыми в системе. Работа по слеше, приведенной на рис.. 1.5 возможна с. включением в разрабатываемую систему модулей формирования задании, являющихся описанием базы знаний ;: модуля-исполнителя заданий, который работает со стандартными средствами операционных систем ; и модуля-предъявителя, позволяющего прервать слет /если ато необходимо/, работающего параллельно с программой пользователя.
Повысить использование ресурсов ЭВМ возможно за счет одновременной работы нескольких пользователей, то есть создавая систему коллективного пользователя. Замкнутость системы на информационном уровне может быть достигнута предоставлением каддому пользователю индивидуального набора для хранения выводимых результатов,чтения этого набора по мере поступления информации.
Язык описания локальных предметных областей знаний
На первом этапе обработки фрейма идет выборка очередного фрейма из очереди фреймов, подлежащих обработке. Очередь фреймов представляет стеки, количество которых равно числу типов фреймов. Наивысшим приоритетом обладает стек классификационных фреймов. Далее следует стек фреймов смысловая связка и стек директивных фреймов. Такое упорядочивание обработки фреймов позволяет верно обрабатывать семантическую сеть.
Обработка классификационных фреймов включает предъявление его пользователю,получение и анализ ответов, выборку и формирование стека фреймов смысловая связка, формирование имени локальной предметной области знаний, запись на языке представления знаний и стенографию диалога.
Обработка фрейма смысловая связка заключается в предъявлении его пользователю, записи и стенографию диалога, записи на языке представления знаний, обработки поля условий с формированием стека классификационных фреймов. Предъявление текста смысловая связки пользователю дает возможность ориентироваться в этапах . прохождения семантической сети фреймов.
Обработка директивного фрейма аналогична обработке классификационного фрейма, отличием является то, что в данном случае пользователь не выбирает ответы из предложенных альтернатив, а задает некоторую информацию, необходимую для решения.
Если выбранный фрейм является фреймом цепочка классификаций, то его обработка аналогична совместной обработке фреймов смысловая связка и классификационных. Название фрейма цепочка классификаций соответствует названию групповой классификации, например, характеристике САУ. Для большей наглядности название групповой классификации присутствует во все время обработки классификационных фреймов, подлежащих обработке по фрейму цепочка классификаций. Б записе на языке представления знаний введена опера ция склеивания имени классификационного фрейма с фреймом цепочка классификаций в виде записей XSXX...X. KYY...Y.
Для формирования шлени локальной предметной области знаний введено следующее правило. Имя локальной предметной области зна ний равно списку символов из помеченных классификационных фрей мов, пройденных при обработке ответов пользователей. Помеченны ми фреймами считаются те, в которых присутствует поле КОВ Запись KOD- означает, что добавляемый символ равен но меру ответа, или, что добавляемый символ равни номеру выбранной альтернативы. Запись KQD -(7-Л ,2-Я означает для выбран ной альтернативы I, если в шля будет добавлен символ А , для альтернативы 2 - будет добавлен символ Я и т.д. Опускание поля KOD означает, что добавление символа в имя локаль ной предметной области знаний отсутствует.
На рис. 2.4 приведен вид выходных документов при диалоге пользователя для выхода на локальную предметную область знаний по исследованию устойчивости линейных непрерывных систем автоматического управления методом Зубова. Исследуемая СА7 задается системой дифференциальных уравнении.
Язык описания локальных предметных областей знаний (ЯОЛП) -результат анализа взаимодействия разработчика системного обеспечения и разработчика программного обеспечения при попытке последнего погрузить прикладное обеспечение в систему.
Мощным средством программирования при использовании языков типа АССЕМБЛЕР является макроязык, позволяющий не только упростить написание фрагментов программы, но и (используя макрогене 54
Выходные документы модуля FHE7M. рацию) настраивать отдельные чести программы на различные исходные данные, менять текст в зависимости от типа исходных данных, организовывать обращение к подпрограммам, производить генерацию текстов и т.п. Б то же время макроязык очень прост для понимания. Все это делает макроязык очень удобным средством написания, отладки новых языков программирования. Это свойство макроязыка и использовано для наппсанпя языка описания локальных предметных областей знании, первая версия которого в системе УАдДО названа языков автора. Б основе языка ЯСШЇЇ лежит принцип формирования заданий в системе, заісшочающиися в подготовке текста исходного модуля программы в последовательном файле. Сформированное задание исполняется специально предусмотренной в системе программой, которая выполняет необходимые действия.
Для организации диалога с пользователем при формировании программ в системе КИПАРИС предусмотрен диалоговый оператор HflPKD . При его создании были реализованы следующие требования к организации диалога: - формирование экрана дисплея из трех полей - поля комментария (поддержки), поля вопроса и поля ответа; - возможность указания комментария на группу вопросов; - совмещение полей вопроса и ответа для случая предъявления пользователю информации, подготовленной для исправления (таблицы, заготовки текстов и т.п.); - наличие режима выдачи информации без ожидания ответа; - независимость оператора типа дисплея; - средств предварительного контроля ответов; - автоматического формирования областей ответов для случая использования их в качестве параметров в формируемом тексте программы.
Пример пополнения базы знаний методами анализа линейных непрерывных стационарных систем управления
В предметной области "анализ линейных стационарных систем" рассмотрим, например, постановку задачи: "исследование устойчивости линейных стационарных систем матричным критерием Зубова". В данном случае "исследование устойчивости" - одна из задач "анализа систем". К задачам анализа систем относят еще, по крайней мере; моделирование свободного движения, вычисление характеристик переходного процессе, анализ наблюдаемости, чувствительности. А задачи анализа систем являются одной из задач "расчета систем", в которым относят: анализ, синтез, идентификацию систем управления. Предложенные типы задач составляют альтернативы в соответствующих классификационных фреймах, а название, обобщающее группу альрернатив,-название соответствующего классификационного фрейма. Для кратности записи в дальнейшей обработке каждому фрейму присваивается имя, которое для классификационных должно начинаться на "К", для смысловых связок - на "С". Таким образом, например, задачи анализа систем управленияобъеденяются следующим классификационным фреймом, где К2 - имя для ссылок на этот фрейм в дальнейшем.
Выражение "линейная стационарная" относится к классификации систем управления по виду математической модели. Данная классификация - иерархическая, так как должны быть включены классификации: линейность, непрерывность, стационарность. Текст иерархического фрейма КЗ - "Классификация систем управления по виду математической модели" приводится ниже,
Аналогично вводятся другие классификационные фреймы. Введенные классификационные фреймы объединяются в семантическую сеть смысловыми связками в виде фреймов "смысловая связка", в которых задаются необходимые классификации и условия прохождения семантической сети и, следовательно; выбор необходимого метода. Так, например, для расчета систем управления необходимо указать: цель расчета - фрейм "Классификация задач расчета систем управления", вид математической модели - фрейм "Классифика дня систем управления по виду математической модели", форму описания исследуемо! системы управления - фрейм "Классификация форм описания исследуемой системы управления". Данная связка реализуется следующим фреймом;
В случае ограничений на классификационные фрейми, связанные с реализацией методом расчета, условиями применения метода и т.п. необходимо включать проверку условий прохождения семантической сети и, следовательно, выборку очередного классификационного фрейма, например, перечисленные методы определения устойчивости во фрейме К050 применимы для линейных стационарных непрерывных систем управления, что может быть отображено во фрейме С050 "Исследование устойчивости требует указания" следующим образом:
Аналогично вводятся и другие смысловые связки. Составление семантической сети заканчивается ее графическим изображением. На рис. 1.2. дан фрагмент семантической сети по методам исследования устойчивости линейных стационарных непрерывных систем управления. Программирование семантической сети заклгочаеттся в реализации введенных фреймов в виде разделов библиотеки FREJM по предложенному формальному описанию. В классификационном фрейме поле названия и поле альтернатив предъявляется пользователю на экране дисплея, а поле комментария предъявляется пользователю в случае выдачи им символа "?" вместо выбора одной из альтернатив.
