Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы автоматизации выбора средств измерений 11
1.1. Традиционные технологии выбора средств измерений 11
1.2. Технологические и технические критерии выбора уровнемеров 13
1.3. Программный инструментарий для задач поддержки принятия
решения 20
1.4. Методы и технологии разработки информационных систем 23
1.5. Анализ факторов качества автоматизированных информационных систем 25
1.6. Методы программной инженерии 30
1.6.1. Моделирование архитектуры АИС 32
1.6.2. Инструментарий автоматизации разработки .34
1.7. Определение проблематики и задач исследования 35
Выводы по главе 1 .37
Глава 2. Структура и элементы АИС выбора средств измерений 38
2.1. Анализ альтернативных вариантов экспертных систем 38
2.2. Математическая модель принятия решения по выбору типа ЭС .44
2.3. Процедура выбора типа экспертной системы . 47
2.3.1. Структура решения по выбору типа экспертной системы .47
2.3.2. Доминантная иерархия задачи выбора типа экспертной системы 50
2.3.3. Матричное представление оценок количественных суждений .51
2.3.4. Реализация синтеза сравнительных суждений и приоритетов на иерархии 55
Выводы по главе 2 57
Глава 3. Процессное проектирование разработки АИС выбора средств измерений 58
3.1. Регламентация процесса разработки АИС .58
3.1.1. Макропроцесс проектирования .58
3.1.2. Интерпретация процессного проектирования .60
3.2. Разработка требований к АИС выбора средств измерений .66
3.2.1. Интегрированный пакет спецификации требований .66
3.2.2. Документ-концепция АИС .68
3.2.3. Процедурная модель прецедентов системы 71
3.4. Процедурное моделирование АИС выбора средств измерений 74
3.4.1. Процедурное моделирование АИС .74
3.4.2. Пакет процедурных моделей АИС выбора средств измерений 75
Выводы по главе 3 80 CLASS Глава 4. Программный комплекс АИС выбора средств измерений 81 CLASS
4.1. Программа выбора ядра информационной системы 81
4.1.1. Алгоритмическая реализация программы 81
4.1.2. Экранные формы программы .88
4.2. АИС выбора средств измерений 92
4.3. Экспертная система выбора уровнемеров 94
4.3.1. Информационное обеспечение ЭС 94
4.3.2. Разработка информационных и аналитических моделей процесса выбора уровнемеров. 106
4.3.3. Программная реализация экспертной системы выбора уровнемеров .116
Выводы по главе 4 .118
Заключение .119
Список литературы
- Методы программной инженерии
- Процедура выбора типа экспертной системы .
- Интерпретация процессного проектирования
- Экранные формы программы
Методы программной инженерии
Современный программный инструментарий этого класса позволяет получить решение как вариант из альтернативных решений. Теоретической базой большинства программ является метод, разработанный Т.Л. Саати для анализа иерархических структур (МАИ), который имеет множество реализаций в прикладных задачах планирования [65-67]. Например, автоматизированная система многовариантного выбора, разработанная в НИУ-ВШЭ, построена на интеграции функций экспертной системы и функций МАИ [38].
Модуль принятия решения включает в себя как методы, основанные на применении принципов большинства, так и методы для условий неопределенности. При этом может быть использована векторная оптимизация, а также различные методы координирования (согласования) критериев оценки возможных вариантов решения [34].
Инструменты реализации в СППР основных элементов задачи принятия решения описаны в таблице 1.3.
Отметим актуальность совершенствования и применения СППР в области средств измерений, поскольку это будет способствовать продвижению как существующего широкого ассортимента приборов, так и инновационных марок приборов.
Для реализации решений по определению моделей приборов, наиболее соответствующих условиям поиска, АИС должна содержать базу знаний, содержащую правила выбора средств измерений в зависимости от конкретных условий, базу данных информации для расчетов применяемых методов принятия решений. Таблица 1.3
Функциональные процедуры в СППР 1 л? Содержание элементов задачи принятия решения Реализация в гтиин 1. Информированность лнца, принимающего решение об условиях принятия решения Предусматривается возмоекность моделирования условий принятия решений в виде альтернативных проблемных ситуаций. Оценки достоверности появлення проблемных ситуаций задаются експертно в количественной нлн порядковой шкале. 2. Способы задания и оценки предпочтительности альтернатив: 2.1. Способы задания предпочтений на множестве альтернатив 3 CllllF множество альтернатив может оыть конечным нлн представлено в виде подмножества п-мерного пространства. Чтобы избежать проблем с транзитний остью, предпочтения задаются только в количественной нлн порядковой шкале. 2.2. Принципы согласования оценок альтернатив по различным признакам Принципы согласования сценок альтернатив по различным признакам, используемые в С1И1Р: принцип большинства, принцип Паретог принцип п оследов ательн ого рассмотрения крнтерн ев. 2.3. Способы задания относительной значимости признаков [критериев) 3 Villi}1 коэф(}жцненты относительной значимости признаков задаются экспертно в 10-нлн 100-балльной шкале. 2.4. Проверка согласованности оценок альтернатив по отдельным признакам 3 ЭСППН отсутствует проверка согласованности оценок альтернатив по отдельным признакам.
Принципы согласованности оценок экспертов Использование в СППР принципов большинства н Парето для согласования оценок экспертов. Эти отличительные особенности системы определят ее проблемно-ориентированный характер. Экспертная система – ядро АИС Вышеназванные особенности СППС в свою очередь обуславливают необходимость наличия в автоматизированной информационной системе, предназначенной для поиска решения по выбору модели прибора, экспертного модуля. Следует отметить, что на выбор типа ЭС могут влиять предпочтительные требования различных групп пользователей будущей ЭС, поэтому необходимо выявление критериев оценки (эффективности) экспертной системы. Задача выбора конкретного типа ЭС может быть решена с использованием программного инструментария, построенного на основе метода анализа иерархического построения проблемы.
При разработке инструментария для автоматизации процесса выбора превалирующего типа ЭС с учетом критериев оценки следует ввести следующие процедуры: учет оценок экспертов по шкале предпочтений, качественные оценки которых переводятся в количественные; ввод оценки согласованности по альтернативам выбора; применение параметров относительной значимости для критериев качества.
Обучающая система - модуль АИС Для освоения значительного объема технической информации по данной предметной области - выбор средств измерений - целесообразно включение в АИС обучающей системы, предназначенной для передачи знаний пользователям. В случае применения АИС в учебном процессе для студентов, изучающих дисциплины, связанные с мониторингом и измерительными системами и приборами, наличие такой обучающей системы позволит реализовать преимущества информационных образовательных технологий.
САПР, ориентированные на создание обучающих приложений, как правило, содержат шаблоны компонентов приложения, средства управления проектами и средства визуализации проектирования. Наиболее известными для отечественных разработчиков являются системы IBM Lotus LearningSpace, Designer s Edge фирмы Allen Communication и Tactic! Editor фирмы BGW Multimedia. Следует отметить, что все известные системы этого направления инвариантны к методологии проектирования.
Эти системы предназначены для создания интерактивных программных продуктов на основе настраиваемых шаблонов. Класс подобных систем достаточно широк и характеризуется различной степенью специализации и функциональных возможностей. Эти средства разработки целесообразно использовать в том случае, если возможна реализация всех предусмотренных проектом функций без программирования или с его минимальным объемом.
Наиболее соответствующими цели создания АИС являются авторские системы, которые предназначены для предметной области электронного обучения и обладают следующими возможностями:
Процедура выбора типа экспертной системы .
Как и большинство задач принятия решений выбор типа ЭС является многокритериальной задачей. Для анализа многокритериальной задачи принятия решений по выбору типа ЭС используем следующую математическую модель: (S;E1,...,Em;M), (2.1) где S - множество альтернатив по вариантам решения, Е1,... ,т - оценочные критерии, М - отношение нестрогого предпочтения экспертов по критериям.
Каждый вариант s из множества S всех рассматриваемых альтернатив решения характеризуется числовыми значениями критериев Е., которые выражаются с помощью оценочной шкалы. Эти оценки упорядочиваются по предпочтению. Совокупность значений Et(s) образуют векторную оценку варианта решения s из множества вариантов S. Поэтому сравнение альтернативных вариантов по предпочтительности можно свести к сопоставлению их векторных оценок.
Алгоритм решения этой задачи должен основываться на последовательном сопоставлении приоритетных оценок. Для структурирования данной проблемы используем ее иерархическую интерпретацию, а для оценочных действий -аналитический метод иерархий. Этот метод разработан американским ученым Т. Саати и успешно применяется для решения многокритериальных оптимизационных задач во многих областях [65, 67]. Основой метода является декомпозиция проблемы, сравнительные суждения экспертов и последующий синтез локальных приоритетов.
В данном методе осуществляется декомпозиция системы на простые элементы, определяющие суть проблемы. Далее осуществляется обработка качественных суждений по критериям, характеризующим свойства элементов, и перевод их в количественные характеристики. Таким способом отражается интенсивность взаимосвязи элементов доминантной иерархии.
Метод эффективен в случаях, когда учет экспертных оценок без специально разработанных процедур далеко не всегда приводит к качественному результату. Отличительной особенностью этого метода является также наличие экспертной обратной связи. Выбранный метод позволяет работать в системах, в которых человеческий фактор является решающим.
Примем во внимание, что критерии оценки ЭС разбиты на несколько групп и оценка проводится на нескольких уровнях. В этом случае математическую модель (2.1) можно представить в виде (2.2), чтобы отразить множество альтернативных решений, все уровни иерархии, критерии всех уровней, а также отношения нестрогого предпочтения экспертов по критериям: где z - количество уровней иерархической структуры (z = 1,2,...,Z), Uj,f -количество критериев, обозначенных на каждом уровне. Множество альтернативных решений задачи Sz лежит на самом низком уровне, а каждому уровню соответствует свое множество экспертных оценок М z. Если взять конкретный вариант решения (S), являющийся составной частью соответствующего множества (Sz), то можно принять в качестве его характеристик значения As), которые являются в совокупности векторной оценкой p(s)\ p(s) = (El(s),...m(s)) (2.3) Сравнение критериев оценки ЭС осуществляется по значениям предпочтений М лицами, принимающими решения (ЛПР) - экспертами, в нашем случае представителями всех групп будущих пользователей ЭС. Предпочтения М можно моделировать как отношения нестрогого предпочтения
Важно отметить, что альтернативные решения задачи Sk расположены на последнем (нижележащем) уровне иерархии.
Отметим, что нет формализованных правил построения доминантных иерархий, кроме основного принципа: вершина иерархии отражает цель, на следующих уровнях - подцели (в случае многоцелевых решений), критерии выбора, а на последнем уровне - альтернативные решения.
Следует учесть, что пользователи, принимающие участие в экспертизе, могут давать качественные оценки критериев, поэтому необходимо использовать единую шкалу относительной важности. Для того, чтобы преобразовать суждения лиц, оценивающих критерии качества системы, воспользуемся шкалой с оценками от 1 до 9 баллов, которая предписывает суждениям в качественных соотношениях соответствующие численные значения [65]. В случаях, когда нужна повышенная точность экспертных оценок, можно ввести промежуточные оценки между смежными определениями.
В целом достаточно девять значений, и они могут быть хорошо согласованы; получаемая шкала подтверждается практикой. Сравнительные результаты по 28-ми оценочным шкалам показала преимущества 9-ти балльной шкалы, представленной в табл. 2.4 [67].
Доминантная иерархия задачи выбора типа экспертной системы
Моделирование проблемы в форме иерархии имеет своей целью структурировать проблему на основе ее декомпозиции и применения принципа идентичности.
Опыт практического использования метода иерархического анализа показывает, что моделирование проблемы, представляемой с помощью иерархии, является неформализованной процедурой, результат выполнения которой будет оказывать решающее влияние на конечный результат анализа.
Примем основной позицией в технологии иерархической структуризации проблемы возможность оценки элементов нижележащих уровней иерархии по отношению к элементам вышележащих уровней.
Доминантная иерархия является определенным типом системы, которая может содержать множества элементов, несвязанных между собой. При этом элементы, принадлежащие одной группе, взаимозависимы по влиянию от элементов другой группы.
Структурируем проблему (выбор типа ЭС) как полную доминантную иерархию (рис. 2.4). Поставим в соответствие высшему уровню иерархии цель: преимущественный по выбору вариант ЭС, на последующем уровне – критерии оценки ЭС, которые будут получены от будущих пользователей, на последнем уровне – возможные варианты ЭС Альтернативные типы ЭС будут оцениваться в соответствии с критериями качества 2-го уровня.
Интерпретация процессного проектирования
При переходе к этому окну расчет и отражения результата сравнения происходит автоматически. Сортировка по величине значения глобального вектора приоритетов позволяет выделить наиболее приемлемый тип экспертной системы – ядра АИС, которому соответствует наибольшее значение глобального вектора приоритетов. Результаты расчетов можно вывести на печать и сохранить их.
Экран с активными элементами для перехода к модулям АИС Экспертный модуль ИС для выбора средств измерений разработан на платформе оболочки EXSYS Rulebook.
Модули «Техническая документация» и «Справочные материалы» содержат сведения, необходимые для ознакомления пользователя АИС по всем категориям технологий и параметров выбора средств измерений.
Обучающая система предназначена для применения в учебном процессе при изучении дисциплин, связанных с мониторингом и выбором средств измерений. Система разработана на основе объектно-ориентированного проектирования с применением исполняемых визуальных моделей.
Для практического применения предлагается решение по выбору одного из типов средств измерений – уровнемера. Экспертная система выбора уровнемеров разработана в соответствии с технологией процессного проектирования программных систем и реализует следующие функции: – выбор принципа действия, типа и марки уровнемера по исходным параметрам технологического процесса; – хранение и предоставление данных, заложенных в базу знаний экспертной системы; – обеспечение пользователя необходимыми знаниями в режиме консультирования о выбранном приборе, его особенностях и условиях применения. Архитектура экспертной системы (модуля АИС) выбора средств измерений образована совокупностью трех блоков: рабочей памяти, базы знаний, машины логического вывода (МЛВ) и пользовательского интерфейса. Структурная схема экспертной системы выбора средств измерений, основанной на продукционных правилах, представлена на рис. 4.16.
В связи с большим разнообразием приборов для измерения уровня выбор подходящего уровнемера для конкретной прикладной задачи может быть затруднен. Несмотря на то, что большинство методов измерения уровня можно использовать в различных технологических процессах, не существует универсального уровнемера, пригодного для всех случаев. Однако, задавая правильные вопросы и уточняя основные требования технологических процессов, можно значительно сузить круг поиска и определить, какой уровнемер будет лучше всего работать в том или ином случае.
Примеры измерения уровня
Практика предполагает необходимость знаний индикации уровня продукта и/или количества продукта в резервуаре. Ответ на этот вопрос покажет, какая информация должна поступать от уровнемера и какой тип измерений необходим (например, измерение массы или дискретный контроль). Например, если нужно предотвратить перелив или узнать, когда возникнет необходимость пополнения резервуара, то сигнализатора уровня будет вполне достаточно.
Если же необходимо поддерживать объем продукта в резервуаре в определенных пределах, потребуется уровнемер с непрерывным выходным сигналом. Если необходимо знать расход продукта в тоннах, нужны измерения массы. При необходимости организовать управление материальными запасами или коммерческий учет потребуется полноценная система контроля параметров в резервуаре.
Измерение положения границы раздела сред Перед тем, как приступить к выбору прибора для измерения уровня границы раздела сред, необходимо принять во внимание ряд факторов. Ниже приводятся некоторые соображения, которые следует учесть при выборе одного из методов. Волноводный уровнемер Измерение положения границы раздела сред, основанное на различии диэлектрических постоянных двух жидкостей. Примеры типичных прикладных задач: нефть поверх воды, нефть поверх кислоты, органические растворители с низкой диэлектрической постоянной поверх воды или кислоты. К растворителям с низкой диэлектрической постоянной относятся толуол, бензол, циклогексан, гексан, терпентин и ксилол.
Уровнемеры некоторых типов могут достаточно надежно работать при высоком давлении и высокой температуры, в то время как возможности других ограничены. На выбор типа уровнемера влияют допустимые пределы рабочих давления. У некоторых уровнемеров устойчивость к воздействию параметров процесса достигается за счет ухудшения измерительных характеристик.
Многие уровнемеры могут иметь повышенную погрешность измерения при колебаниях температуры технологического процесса. Каково состояние поверхности, если поверхность неспокойная – какова причина – налив, перемешивание? Образуется ли пар или другие испарения над поверхностью продукта? Измерение уровня приборами, реализующими измерение "сверху" может быть затруднено из-за неспокойного состояния поверхности или наличия паров. Например, принцип работы некоторых уровнемеров основывается на отражении сигнала от поверхности продукта.
Неспокойная поверхность продукта или пары могут ослаблять сигнал, либо привести к отсутствию отражения от поверхности. Состояние поверхности и парогазовой фазы в резервуаре в меньшей степени влияют на уровнемеры, реализующие принцип измерения «снизу».
Присутствуют ли в резервуаре границы раздела сред, градиент температуры продукта, пена, взвешенные частицы? Наличие границы раздела сред, неравномерности температуры, пены, взвешенных частиц или препятствий внутри резервуара может повлиять на достоверность результатов, в зависимости от выбранного метода измерений. Например, взвешенные частицы могут вызывать засорение чувствительных элементов. Наличие пены требует особого внимания, так как одним заказчикам требуется измерение уровня поверх слоя пены, а другим – под ним.
Имеются ли какие-либо ограничения по монтажу в резервуаре? Следует, по возможности, использовать существующие отводы и патрубки резервуара. В некоторых случаях монтаж затруднен из-за наличия стеклянной футеровки или сдвоенных стенок в резервуаре. У небольших емкостей меньше доступное пространство для монтажа. Доступ к резервуарам может быть ограничен из-за расположения под землей, либо из-за близкого расположения резервуаров друг к другу, из-за высоты помещения, из-за наличия термизоляции/подогрева. Плавающая крыша в резервуаре может ограничить монтаж уровнемеров. Учет условий эксплуатации Какое влияние будут оказывать условия окружающей среды на технические характеристики прибора? При монтаже внутри помещения обеспечивается достаточно стабильная окружающая среда с минимальными колебаниями температуры и постоянной влажностью. Уровнемеры, установленные на резервуарах вне помещений, в большей степени подвержены воздействию температуры и влажности.
Экранные формы программы
Как определяется погрешность уровнемера? Уровнемер, который хорошо работает в небольшом резервуаре, может не обеспечить требуемую погрешность измерений в большем резервуаре. Для уровнемеров, реализующих измерение «сверху», например, радарных уровнемеров, указывается либо величина абсолютной погрешности, либо относительная погрешность, приведенная к измеряемому расстоянию.
Следует принимать во внимание и дополнительную погрешность, возникающую из-за воздействия прочих факторов, в частности, из-за влияния температуры. Следует определять, необходима ли низкая погрешность измерения.
В некоторых случаях первостепенной задачей может быть способность обеспечить надежность измерений. В других случаях воспроизводимость измерений, то есть способность обеспечить неизменный результат при неоднократном измерении стабильного уровня, может иметь гораздо большее значение, чем низкая погрешность.
В системах управления резервуарными парками (для коммерческого учета и управления запасами) применяется большое число уровнемеров с самой низкой погрешностью, высокой стабильностью и воспроизводимостью измерений. Без обеспечения высоких измерительных характеристик влияние погрешности измерения на финансовую деятельность может быть очень велико, и было бы невозможно соблюдать требования международных и национальных стандартов к организации коммерческого учета.
Требования, предъявляемые к уровнемерам. Сертификаты для эксплуатации
Сертификация для эксплуатации в опасных зонах должна отвечать местным требованиям. Для многих приборов может оказаться достаточным соблюдение стандарта по взрывобезопасности, но для эксплуатации на некоторых предприятиях или установках может потребоваться сертификат искробезопасности или другие виды сертификатов. В других случаях может потребоваться обеспечить соответствие санитарным требованиям. Имеется ряд действующих национальных стандартов на соответствие систем коммерческого учета и управления материальными запасами местным метрологическим требованиям.
Каковы требования к выходным сигналам? Наиболее распространенным выходным сигналом является непрерывный аналоговый сигнал 4-20 мА, несмотря на широкое распространение промышленных цифровых протоколов передачи данных. Кроме того, приобретает популярность беспроводная передача сигналов. В некоторых случаях необходимы сигнализаторы для оповещения операторов и реализации системы противоаварийной защиты. Для обеспечения высокого разрешения и низкой погрешности в системах управления резервуарными парками необходимо использовать полевые шины для передачи информации от полевых приборов в распределенную систему управления.
Какие источники питания используются? Большинство приборов работает с питанием 12-24 В постоянного тока, хотя встречаются приборы, работающие от сети переменного тока 110..220 В. Некоторые приборы способны работать на пониженном напряжении питания или в беспроводных сетях с питанием от батарей.
Совокупная стоимость прибора
Цена уровнемера имеет большое значение, но не меньшее внимание следует уделять затратам на монтаж и техническое обслуживание. В целом, недорогие уровнемеры (как правило, механические), требуют большего объема технического обслуживания. Более сложные электронные приборы зачастую стоят дороже, но расходы на их техническое обслуживание значительно ниже. Первоначальная стоимость некоторых типов уровнемеров уменьшается по мере увеличения их технических возможностей и распространения на рынке средств измерения.
Еще одним фактором стоимости является срок службы уровнемера. Недорогой прибор, который нуждается в частой замене, может потребовать намного больших затрат, чем более дорогой, но и более долговечный, надежный и более подходящий к условиям эксплуатации уровнемер. В общем случае, уровнемеры с более высокими рабочими характеристиками стоят дороже.
На первом этапе основными критериями выбора являются условия применения и условия монтажа датчика. При выборе технологии измерения уровня важно рассматривать условия внутри измеряемой емкости. Турбулентность, пенообразование, химические свойства среды, а также наличие паров над поверхностью среды могут влиять на измерения и должны быть приняты во внимание.
Выбранная технология измерения уровня должна отвечать условиям конкретного применения, это ключевой момент успешной работы уровнемера. Тип соединения с резервуаром, наличие механических конструкций внутри емкости, форма и профиль емкости, - все эти требования могут привести к тому, что некоторые технологии будут неприменимы в конкретной ситуации. Этот этап представляет собой алгоритм последовательных действий: необходимо знать температуру процесса, давление в емкости, наличие пены (паров, турбулентности), раздела фаз, оборудования в емкости, химическую активность среды и диэлектрическую проницаемость для непроводящих сред. Данные для выбора технологии измерения уровня представлены в табл. 4.1.