Введение к работе
Актуальное ті. проблемы. Научно-исследовательские и опьпно-конст-'кторскне разработки в насгоящее время - главный фактор ускорения эконо-тчесхого роста развитых промышленных стран. Наблюдается значительный icr всех структу[), связанных с НИР и ОКР; сложность структуры техничес-[х систем удваивается каждые 10-15 лет. Считается, что объем обрабагыва-юн информации, связанной с исследованием и проектированием таких сис-м, растет экспоненциально с ростом их сложности.
В жизненном цикле сложной технической системы исследовательское Ш'кпшровшше (ИП) важнейшая и сложнейшая стадия. Первое обусловлено м, что именно на уровне ИП принимаются ответственные концептуальные шения, от которых зависит не только эффективность технологии ее созда-ія и эксплуатации, но и жизнеспособность в целом. Второе - пеобхоаимос-ю использования больших объемов самых разнообразных данных и знаний том числе о новых и новейших достижениях в данной предметной облас-)
В настоящее время разработано множество формализмов для представиш! знаний в виде моделей. Известно, что конструктор сложного изделия в стоянии обработать и использовать не более 5%, релевантной его пробле-, информации. Для построения множества альтернатив и их оценки на стаях принятия проектных решении необходима формачьная спецификация знтекстов" различных "семантически" близких моделей аїрегатов и процесії сложных изделий.
Модели, используемые на сіадиях ИП, часто создаются в одних оріани-ніях, а используются в других; в следствии неполного "отторжения" их не :гда корректно.
Ввиду изложенного весьма актуально решение проблемы реализации гциалт ного формального аппарата, обеспечивающего единообразное пргде-вление моделей - результатов научных, проектных и экспериментальных :ледовалий - в вычислительной среде.
Творческий характер ИП приводит к широкому использованию в их пробах методов и средств искусственного интеллекта. С другой еюроны, н I для определения количественных характеристик свойств объекта успеш-применяются самые разнообразные пакеты прикладных программ (Г11ІП) этому, предъявляются особые требования к интеграции эвристических и рмальных методов в рамках операций ИП, а эффективность такого симсио-в первую очередь определяется уровнем единообразия представления мо-іей в вычислительной среде и унификацией операций их обработки.
Ориентация ИП на создание новых изделии выдвигает в качестве основ-~о требования к банкам данных^л знаний сложного изделия их откроешь д.ія пополнения (номинально и сгр\ктурно) новыми молелппі агрега-i и методами (алгоритмами) их синтеза и анализа
Как известно, одним из основных методов ИП является анализ аналогої Поэтому, модели, хранимые в базах данных должны корректироваться в прс цессе проведения научных и экспериментальных исследований аналогичны процессов, аїрегатов, изделий в целом.
Эти специфические требования в настоящее время, с нашей точки зрі ния, не находят должного отражения в компьютерных информационных те. иологиях (ИТ) ИП, т.к. не разработаны соответствующие теоретические ост вы и методология формальной спецификации интеграции моделей сложнь изделий.
Цель її задач». Целью работы является разработка теоретических осік и методологнчских принципов формальной спецификации интеграции мод лей, используемых в исследовательском проектировании сложных изделі новой техники.
Данная общая цель конкретизируется решением следующих задач:
-
Исследовать, классифицировать и определить базовые категории и п нятия предметной области исследовательского проектирования. Уровень аб тракции формального представления моделей должен быть таким, чтобы одной стороны, обеспечить единообразное (унифицированное) представлені максимума моделей в ИП, с другой - представить возможности реалкзащ формальных механизмов их сравнительного анализа и интеграции.
-
Разработать формальный аппарат создания и использования модельн параметрического пространства анализируемых и синтезируемых процессі и объектов. Исследовать его структуру и свойства.
-
Исследовать и разработать формальные механизмы учета НЕ-факт ров (недостаточность противоречивость, неполнота, .неточность и т.п. исхо ньгх данных) в процессах исследовательского проектирования. Разработа средства отчуждения знаний (представленных в форме параметров, моделе методик) в операциях ИП сложных объектов.
-
Исследовать специфику применения методов прикладной семиотика ИП и разработать принципы построения аппарата исчисления моделей. Д реализации этого аппарата разработать и исследовать специализированні операции алгебры и логики текстов и контекстов моделей, синтезируемых анализируемых в процессах ИП.
-
Разработать принципы реализации программно-информационных ко плексов вычислительной среды проектных, научных и зкепериментальні исследований: систем управления базами данных и знаний исследуемых ^ делей и систем визуального анализа-синтеза их графических образов .
-
Разработать методику и технологию создания компьютерных ИТ nj ектны?с исследований сложных объектов и их использование в практике п[ ектирования изделий новой техники.
Методы исследований. В исследовании использованы методы мате? тической логики, теории множеств, теории систем, ишервального анали искусственного интеллекта, теории алгоритмов, информатики, автоматизаи
юектнровання, технологии построения и использования баз данных и знані, машинной графики, теории проп)аммнрования, вычислительной, конст-'ктивной и дискретной математики.
Основные положення, выносимые на защиту:
-
Теоретико-методологические основы построения и использования мо-шьно-параметрического пространства в операциях исследовательского пробирования. Его структура и свойства.
-
Формальные механизмы учета НЕ-факторов в процессах исследова-льского проектирования. Методы и средства "отторжения" знаний конст-'кторов, проектировщиков, исследователей, сложных объектов, представ-:нные в формах параметров, моделей, методик.
-
Методы построения решеток в моделыю-параметрнческом пространс-іе для определения отношений между моделями, уровней их согласованнос-I и совместимости.
-
Принципы построения аппарата исчисления моделей и обликов слож-лх изделий на основе методов прикладной семиотики. Методы и принципы эстроения алгебры и логики текстов и контекстов моделей.
-
Методика и технология построения вычислительной среды научных, гспериментальных и проектных исследований сложных объектов.
-
Методы реализации программно-информационных комплексов систем правления базами данных и знаний моделей, используемых в ИП.
-
Методы визуального анализа моделей, принципы реализации баз дан-зіх их графических образов, экспертных сне ->м их синтеза-анализа.
-
Методология создания и использования ИТ исследовательского про-сгирования сложных объектов новой техники.
Научная новизна. К наиболее существенным научным результатам от-эсятся следующие:
-
Разработаны теоретико-методологические основы построения и ис-эльзования в ИП модельно-параметрического пространства.
-
Разработаны механизмы учета НЕ-факторов в ИП и технология отчуж-їния знаний исследователей в операциях ИП.
-
Разработаны и обоснованы принципы построения и использования ап-ірата исчисления моделей в ИП; в частности, обликов сложных изделий.
-
Разработаны и обоснованы принципы и методы построения формаль-ых механизмов алгебры и логики текстов и контекстов моделей в ИП.
-
Разработаны методы и принципы реализации программно-ннформацн-иных комплексов систем управления базами данных (СУБД) и знаний моде-гй сложных изделий и систем визуального анализа исследуемых процессов а основе формальных механизмов алгебры и логики.
-
Разработана методология создания и использования ИТ исследова-їльского проектирования сложных объектов.
Совокупность полученных результатов можно рассматривать как теоре-пческое обобщение и решение крупной научной проблемы форлиныиш спг-ификации инте.'риронаннои информационной сревн и npt-ij^i.a,4 гл~ра'м.<тки
данных и знании проектных, экспериментальных и научных ucc.iedoaai, сложных объектов новой техники.
Научная значимої п. рпГннм. Разработанные в диссертации анна| представления модельпо-иарамеїрическоіо пространства, принципы riocip ния исчисления молелен, ;инсбры и логики их іекстов и контекстов являю методологической основой для построения теорий исследовательского про тирования сложных изделий данного класса. Они представляют собой гсо тическнй аппарат для систематизации моделеіі, сишезнруемых и анализир мых в данной предмсімоіі области, построения на их основе целостного и лесообразного моделмю-парамеїрического пространства научных, прое ных и экспериментальных исследований и механизмов унифицироианж хранения, "отторжения", спсіемагнзаиии и использования знаний в дані предметной области.
Практический iiviiii(K"ii> работы. Результаты данной диссертациош работы могут использоваться в создании программно-информационных к< плексов iiineipiiponai/iiwx систем научных, проектных и эксперименталья исследований сложных объектов новой техники, банков данных и баз знаї моделей изделий и их компонент, систем визуального синтеза-анализа гра< ческих образов моделей, интеллектуальных технологий исследований сл( мых изделий, методологий и технологий разработки систем данного класс; качестве методических материалов при подготовке инженеров по специа постам САПР, АСНН, системное программирование, на факультетах инф матмки, технической кибернетики и т.п. Разработанные в диссертации ко ретные алгоритмы алгебраических операций интеграции моделей, синтез анализа мо дельно-параметрического пространства, синтеза-анализа rpat ческих образов могут непосредственно применяться в реализации паке программ СУБД и интерактивной машинной графики.
Реализация результатов работы. Полученные в работе теоретически практические результаты использованы при проведении НИР и ОКР, в чг поста, НИОКР "Создать и ввести в эксплуатацию моделирующий компл для исследований и разработок в области создания АСНИ для стендовы полигонных испытаний объектов новой техники и технологии"; ОКР "Раз ботка интегрированной интеллектуальной среды анализа моделей в npoL сах проектных, экспериментальных и научных исследований в строительс и машиностроении"; НИОКР "Разработка и совершенствование на базе hoi информационных технологий комплексной автоматизированной системы \ ледовательского проектирования и научных исследований для обеспече разработки требований к перспективным кораблям ВМФ и формирова программ военного кораблестроения" и воплощены в иромышленно ф) цнонирующнх системах автоматизированного проектирования объек транспортной авиации {Авиационный научно-технический комплекс им. С Антонова, г. Киев) и исследовательского проектирования кораблей «Черт
li'jxihiu центральный ПЛИ военного ксюаб.честроенип МО РФ, г. Санкт-'ешербург).
Методологические и теоретические результаті рабо їм нсполь зонаим и юбмых курсах п Тверском государственном техническом унииерсиїеіе и анкт-Пегербургском электротехническом университете.
Апробация работы. По основным научным и практическим'результатам тссертации сделано более 60 докладов на международных, всесоюшых, їсііубликанеких, региональных и отраслевых конференциях, семинарах и созданиях, таких, как: первая (Тбилиси, 19Н0), вторая (Ташкент, 1983) и чет-:ртая (Калинин. 1989) всесоюзные конференции "Панки данных"; всесоюзен семинар "Разработка и эксплуатация систем обработки данных: примените математических методов" (Рига, 1981), седьмая всесоюзная конференция Тланировапие в автоматизация эксперимента в научных исследованиях" (осква, 1983), III всесоюзное координационное совещание по авгомаппа-1и проект по-конструкторских работ в машиносіроении (Минск; 1985), 111 :спубликанская конференция "Автомат гзаиия научных исследовании" (Ки-', 19X6), научно-технические конференции "Применение вычислительной хннкн и математических методов и научных исследованиях" (Киев, 1986, ЇН7, 1988), научно-технические ceviininpbi (Lea<и.тополь) "Экспертные сис-мы для экспериментальных исследований и испытаний сложных объектов 988), "Базы знаний и экспертные системы в АСНИ (19X9), "Проблемы ин-ллектуализация информационных технологий научных исследований елож-,іх объектов" (1990), 5-я международная кош1 ?реііцня "Автоматизация конс-уирования и проектирования технолог! ческих процессов (Болгария, П we'd. 1988), I международное совещание 'Проблемы создания и использова-ія баз данных и баз знаний (Чехословакия, Братислава, 1988), XI междуна-ідпьій семинар по системам управления .їазами данных (Венгрия, Серегелие, %S), четвертая всесоюзная конференция "Системы баз данных и знаний" 'аіиниіі, 1989), научно-техническая конференция "Проблемы построения и пользования экспертных систем и зкснлуаіацпі: судов'' (Нарва, 1991), III черь, 1992), IV (Рыбинск; 1994) и V (Казань, 1996) конференции по ис-сственному интеллекту; Международный симпозиум "Когнитивные прессы - 93" (Россия, г. Переяслав іь-Зсассскиіі, 1993), II и III Международные мпозиумы "Информационные теории и приложения" (1ТА-94, 95) (Kova-и, г. Санданскии, 1994, 1995), Международная конференция "Знания-Дил-г-Решение" (KDS-95) (Украина, Ялта, 1995), Международная конференции скусственнын интеллект в XXI веке" (Россия, г. Москва, 1995), Первая гждународная конференция и выставка по морским интеллектуальным те\-логиям (Морннтех-95) (Россия, Санкт-Петербург, 1995), IMACS .ilticonference "Computational Engeneering in Systems Applications" (CfISA'%,. Ue-France, July 9-12, 1996), а также на сем::чгра\ Научного Совета АН Ук-пиы по проблеме "Кибернетика" н республиканскогс Дома иаучно-техни-ской и экономической пропаганды"? \ Киев).
Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 60 р; ботах, в том числе в монографии. В работах, написанных в соавторстві Ю.Р.Валькману принадлежат все результаты, касающиеся теоретических методологических концепций создания и использования информационны технологий научных, проектных и экспериментальных исследований ело» ных изделий, проектных решений разработки баз данных и знаний математа ческих моделей, их визуального анализа и экспертных систем магематическс го моделирования исследуемых процессов и объектов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена н 250 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками и таблица ми на 102 страницах и состоит из введения, 6 глав, заключения, списка лите ратуры из 262 наименований и приложений на 32 страницах.
