Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка концепции конструкторской семантики 8
1.1. Анализ состояния и тенденций развития автоматизированного проектирования 9
1.2. Анализ логики автоматизированного конструирования 22
1.3. Анализ семантических исследований 35
1.4. Разработка принципов моделирования конструкторской семантики 52
Выводы 58
Глава 2. Разработка семантических средств моделирования свойств и особенностей изделия 62
2.1. Семантика свойств и особенностей изделия 62
2.2. Семантическая сочетаемость конструкторских понятий 81
2.3. Разработка концептуальных средств моделирования свойств и особенностей изделия 91
Выводы 107
Глава 3. Разработка теории декларативной конструкторской семантики 110
3.1. Формализация задачи моделирования конструкторской семантики 111
3.2. Структуры конструкторских данных и конструкторских понятий 120
3.3. Операции над конструкторскими данными 131
3.4. Исследование свойств конструкторских теорий 146
Выводы 156
Глава 4. Разработка теории операционной конструкторской семантики 160
4.1. Формализация задачи вычисления конструкторской семантики 160
4.2. Конструкторские модели в многозначной логике 176
4.3. Построение конструкторских моделей в многозначной логике 190
Выводы 204
Глава 5. Разработка информационной технологии семантического конструирования 207
5.1. Конструкторские модели 207
5.2. Анализ структурного конструкторского решения 223
5.3. Синтез структурного конструкторского решения 230
5.4. Универсум семантических конструкторских моделей 242
Выводы 256
Глава 6. Экспериментальные исследования 258
6.1. Описание семантики задачи конструирования с помощью аппарата позитивно-образованных формул 259
6.2. Разработка языка описания конструкторской семантики 269
6.3. Описание программной реализации 283
6.4. Описание экспериментальных результатов 299
Выводы 304
Заключение 307
Литература 311
Приложение 1. Краткие терминологические словари 331
Приложение 2. Диаграмма монотонности операции «если-то-иначе» 338
Приложение 3. Пример описания изделий «Крепежные резьбовые соединения» 339
Приложение 4. Язык спецификации свойств и особенностей изделия SL/D. Методика применения 358
Приложение 5. Методика разработки автоматизированных систем 381
Приложение 6. Акты внедрения результатов работы 401
- Анализ логики автоматизированного конструирования
- Семантическая сочетаемость конструкторских понятий
- Конструкторские модели в многозначной логике
- Описание экспериментальных результатов
Введение к работе
з
Актуальность исследования. Применение автоматизированного Проектирования (АП) в различных отраслях инженерии привело к значительному повышению эффективности труда проектировщика. В развитии АП заметную роль сыграли работы Дж.Джонса, М. Принса, И. Сазерленда, И.П. Норенкова, В.А. Осипова, А.И. Половинкина, Ю.М. Соломенцева и многих других ученых.
Проблема согласования профессионального разнообразия проектных работ существует уже несколько веков. Современное проектирование и производство приводят к изменениям в окружающей человека среде, зачастую затрагивающим интересы многих членов общества. Поэтому проектирование становится сферой интересов не только конструкторов, технологов и других «профессиональных» проектировщиков, но также экономистов, законодателей, администраторов, публицистов, ученых, участников движений охраны окружающей среды, политиков, потребителей - всех тех, кто стремится предъявить свои требования к форме, содержанию, производству и эксплуатации изделий.
В АП проблема согласования профессионального разнообразия проектных
работ трансформируется в проблему интеграции на инвариантной основе
структур данных и процедур решения проектных задач. Наметилась тенденция
создания интеллектуальных автоматизированных систем. Наивысшей степенью
интеллектуальности обладают основанные на знания системы АП. Под интел
лектуальностью САПР понимается возможность принятия смысловых проект
ных решений при использовании инвариантных к проблемным областям алго
ритмов получения решения. Конструкция является ядром, вокруг которого объ
единяются различные миры: технологические, эргономические, экономические
и т.д. Представление о подобных множественных мирах и управление им явля
ются теми новыми функциями, которыми должна обладать интеллектуальная
САПР. Людям различных профессий необходимы теоретические, методиче
ские, инструментальные средства, с помощью которых их знания и пожелания
могут быть учтены при разработке САПР интересующего изделия.' v
Анализ новейших методов проектирования позволил сформулировать научную гипотезу: успешность решения указанной и ряда других проблем проектирования проявляется в активизации применения смысловых моделей изделия: диаграмм, блок-схем, матриц, формуляров и т.д., ориентированных на содержание изделия. Идеологи проектирования солидарны в стремлении найти то новое, чего не хватает чертежному способу моделирования формы изделия.
Состояние проблемы. Анализ действующих САПР, тенденций развития и методов их построения показал, что создание подсистем САПР осуществляется в тандеме: эксперт-программист. Содержанием САПР становятся знания эксперта в виде записанных программистом моделей и процедур. Однако интерпретация свойств изделия в конструкции остается пока прерогативой человека. Установлено, что новые подходы, ориентированные на моделирование знаний и проектных приемов в явном виде и позволяющие эксперту в полной мере проконтролировать как содержание конструкции, так и содержание САПР, представляют долгосрочную перспективу в области развития теории и практики автоматизированного проектирования.
Предпочтение исследователей и разработчиков САПР отдается моделированию формы изделия. В результате, основой большинства интегрированных систем АП является геометро-графическая подсистема. Задачи проектирования изделий реализуются как дополнительные возможности системы машинной графики. Метафорой методологии АП является: «от формы к содержанию изделия». Построенная по данной метафоре САПР представляет собой конгломерат различных профессиональных подсистем. При этом неизбежны трудности согласования структур данных и алгоритмов. Возникает противоречие между желанием увеличить функциональные возможности САПР и лавинообразным возрастанием сложности САПР.
В настоящей работе показано, что заслуживают внимания и другие методологии АП: «от содержания к форме изделия» и «содержание одновременно с формой». Совместное моделирование в системах АП формы и содержания из-
делия отражает философское единство этих двух категорий, переходящее друг в друга.
Объект и предмет исследования. Исследование ориентировано на создание интеллектуальных САПР, характерной чертой которых является использование смысловых моделей изделия, отражающих единство формы и содержания. В содержании изделия выделены и систематически исследованы категории свойства и особенности изделия (СиОИ) как объекты моделирования и неотъемлемые составляющие САПР, отражающие профессиональные, научные и потребительские представления о проектируемом изделии. Концептуальной основой моделирования СиОИ и решения конструкторских задач анализа и синтеза является конструкторская семантика, позволяющая расширить системы АП смысловыми конструкторскими моделями. Поэтому конструкторская семантика является основным объектом исследования и средством решения поставленных задач смыслового анализа, автоматизированного и автоматического синтеза конструкторских моделей путем обработки СиОИ. Включение в АП моделей СиОИ и разработка на этой основе методов смысловой обработки проектно-конструкторских данных рассматривается как следующий шаг повышения интеллектуального уровня САПР. Исследование содержания изделия позволяет по-новому взглянуть как на модели изделия, так и на процедуры решения проектных задач.
Целью исследования является расширение интеллектуальных функций САПР за счет обеспечения инвариантными смысловыми средствами моделирования профессиональных, научных, потребительских представлений о СиОИ и разработки научно обоснованного метода автоматизированного конструирования, позволяющего передать функции создания САПР изделия специалистам по изделию, получать конструкцию изделия путем автоматизированного и автоматического решения задач анализа и синтеза.
Методы исследования. В работе используется лингвистический (семантический) подход к моделированию конструкторской информации. Данными в
6 системе АП являются конструкторские понятия: термины, дополненные описанием свойств и особенностей обозначаемого денотата. Семантическое моделирование изделия ориентировано на передачу содержания конструкторских данных, а содержание конструкторских данных определяется как свойствами самих данных, так и свойствами моделируемых изделий. Моделирование конструкторского понятия выполняется двумя уровнями. Базовой моделью являются структурные СиОИ {структурная семантика), включающие компонентные свойства, атрибутные свойства и, особенности внешнего мира изделия. Над ней выполняется надстройка в виде системы логических рассуждений о корректности, свойствах базовой модели (предикатная семантика).
Для описания СиОИ используется единая логическая основа. Такой основой является предлагаемая в работе формальная система (исчисление) СиОИ, основанная на самых распространенных в человеческой практике принципах иерархического абстрагирования и семантической сочетаемости понятий. Применение указанных принципов в совокупности с логико-математическими возможностями, а также принципами типизации языка и универсума рассматривается как инвариантное к различным отраслям знаний средство, заложенное в базовый семантический язык описания СиОИ. Возможность получения профессиональных расширений базового языка позволяет построить на одном ядре разнородную по своей прикладной направленности систему описаний СиОИ и, одновременно, применить единые алгоритмы смыслоотождествления.
Описание СиОИ рассматривается как конструкторская теория, а получаемые на ее основе конструкции - как модели конструкторской теории. Задачи анализа и синтеза семантических моделей конструкции реализуются как поиск решения системы логических соотношений, тем самым обеспечивается универсальность метода и его инвариантность к различным способам решениж профессиональных задач.
Полученные в работе научные результаты отвечают всем признакам теории, поэтому предлагаемая система знаний названа в работе теорией конструктор-
ской семантики.
Особенности использования полученных научных результатов потребовали разделения теории конструкторской семантики на две части: теория декларативной конструкторской семантики и теория операционной конструкторской семантики. Первая изучает принципиальные вопросы существования конструкторских теорий СиОИ и их моделей. Вторая - вопросы построения конструкторских моделей в реальных условиях проектирования изделий (неполнота или ошибочность конструкторских данных), что потребовало рассмотрения частичных конструкторских моделей.
Задачи исследования. С учетом выбранных методов исследования цель работы достигается путем решения следующих научных и прикладных задач:
Разработка концепции конструкторской семантики - инвариантных к профессиональным, научным и потребительским представлениям принципов смыслового описания и использования СиОИ.
Разработка формальной системы (исчисления) СиОИ.
Разработка теории декларативной конструкторской семантики.
Разработка теории операционной конструкторской семантики.
Разработка декларативного профессионально расширяемого семантического языка описания СиОИ.
Разработка методики создания САПР изделия путем формализации, систематизации и стандартизации профессиональных, научных и потребительских представлений о СиОИ.
Разработка методики и алгоритмов инвариантных к профессиональным, научным и потребительским представлениям способов решения конструкторских задач анализа и синтеза. *
Разработка методики и алгоритмических основ построения монотонного процесса семантических вычислений, протекающих в условиях неполного или ошибочного задания конструкторских данных
Разработка информационной технологии семантического конструирова-
8 НИЯ.
10. Экспериментальная проверка разработанных методов, лингвистических средств и алгоритмов с целью подтверждения их обоснованности, достоверности и практической работоспособности.
Научная новизна. Разработана новая методология автоматизированного проектирования «Теория конструкторской семантики», отличительными особенностями которой являются:
а) использование конструкторской семантики для моделирования на единой
концептуальной основе содержания и формы изделия;
б) введение профессиональных, научных и потребительских представлений
о СиОИ в инструментальные средства автоматизированного проектирования;
в) использование профессионально расширяемого семантического языка для
описания в явном виде профессиональных, научных и потребительских пред
ставлений об изделии;
г) реализация задач семантического анализа и синтеза конструкции изделия
в виде процесса поиска решения систем логических соотношений;
д) использование математической теории конструкторской семантики для
формального обоснования структур данных и процесса автоматизированного
проектирования.
Изложенные в п.п. а), б), в) особенности методологии АП позволили получить инвариантные к профессиональным, научным и потребительским представлениям структуры данных САПР. Пункт г) позволил ввести инвариантные к профессиональным, научным и потребительским представлениям процедуры решения проектно-конструктррских задач. „~
Предлагаемая методология АП изменяет как структуру, характер проектно-конструкторской деятельности, так и структуру, алгоритмическую основу САПР и позволяет передать функции создания САПР изделия специалистам по изделию. Включение в проектно-конструкторскую деятельность новых специалистов (например, дизайнеров или специалистов по сборке изделия) не требует
вмешательства программиста.
Существенной составляющей теории конструкторской семантики являются математические основы. Введение математического моделирования позволило доказательно обосновать существование допустимой конструкции изделия, условий ее получения. Появилась возможность выявления и формального изучения структуры и свойств смысловых моделей изделия, семантического конструирования.
В соответствии с теорией конструкторской семантики разработан метод и информационная технология семантического конструирования изделий машиностроения, позволяющие использовать предлагаемую методологию АП на практике и определяющие практическую методику автоматизированного проектирования, архитектуру автоматизированных систем семантического конструирования.
Достоверность теоретических результатов обусловлена применением в качестве базы рассуждений проверенных опытом теорий: математической логики, математической семантики, общей алгебры, математической лингвистики; и подтверждена доказательством 10 теорем и If утверждений, теоретическим экспериментом обоснования семантики спецификаций СиОИ с помощью проверенного опытом аппарата позитивно образованных формул. Проведенные на реальных данных эксперименты показали ожидаемое соответствие полученным теоретическим результатам.
Практическая ценность работы обусловлена включением СиОИ в инструментальные средства САПР, что позволило перейти на новый интеллектуальный уровень решения задач АП.
Частными практическими результатами работы являются:
-базовый профессионально расширяемый семантический язык описания свойств и особенностей изделий машиностроения;
- методика построения САПР изделия путем формализации профессиональных, научных и потребительских представлений о СиОИ;
методика и алгоритмы основанного на описаниях СиОИ семантического анализа и проведения в реальном проектном времени профессиональной, научной и потребительской экспертизы конструкции изделия;
методика и алгоритмы основанного на описаниях СиОИ автоматизированного и автоматического семантического синтеза конструкции изделия;
-информационная технология семантического конструирования, основанная на описаниях СиОИ.
Практические результаты работы позволяют ввести в АП новые возможности:
существенно повысить интеллектуальный уровень САПР;
интегрировать в автоматизированной системе на единой концептуальной основе профессиональные, научные и потребительские представления о СиОИ;
-передать функции создания САПР изделия специалистам по изделию, без привлечения программистов;
реализовать, доказательное конструирование;
вводить стандарты СиОИ, обеспеченные процедурой автоматизированного контроля их соблюдения;
-создавать унифицированные и стандартизованные спецификации СиОИ для последующего распространения с целью достижения заданного уровня качества конструирования в каждом проектном подразделении;
проводить по содержанию описания СиОИ «квалификационную» оценку САПР;
использовать конструкторскую семантику как концептуальное и информационное средство интеграции компонентов САПР;
проводить в реальном времени процесса АП профессиональную, научную и потребительскую экспертизу конструкторских решений;
осуществлять гибкий вычислительный процесс локализации и диагностики смысловых конструкторских ошибок;
организовать монотонный процесс семантических вычислений, сохраняю-
11 щих непрерывность в условиях неполноты или ошибочности конструкторских данных.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-практической конференции «Роботы и роботизированные технологические комплексы в механообрабатывающем и сборочном производстве» (г. Ижевск, 1982 г.); на Первой всесоюзной конференции «Методы и средства обработки сложноструктурированной семантически насыщенной графической информации» (г. Горький, 1983 г.); на Шестом научно-техническом семинаре «Математическое обеспечение систем с машинной графикой» (г. Ижевск-Махачкала, 1989 г.); на международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (г. Ижевск, 2000 г); на IV Международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика-2000» (г. Москва, 2000 г.); на международном научном семинаре «Современные информационные технологии. Проблемы исследования, проектирования и производства зубчатых передач» (г. Ижевск, 2001 г.); на международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ИжГТУ (г. Ижевск, 2002 г.); на IV международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (г. Ижевск, 2003 г); на Российском семинаре по оценке методов информационного поиска (г. Пущино, 2004 г.); на Девятой Национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием КИИ-2004 (г. Тверь, 20Q4 г.); на международном форуме «Высокие технологии» (г. Ижевск, 2005 г.); на международной научной конференции «Современные информационные технологии и письменное наследие: от древних рукописей к электронным текстам (Ижевск,'2006 г.); на школе-семинаре TEL-2006 Казанской школы по компьютерной и когнитивной лингвистике «Интеллектуальный поиск в текстовых базах данных» (Казань, 2006 г.); на конференциях и семинарах ИжГТУ.
Публикации. Основные теоретические и прикладные результаты работы
опубликованы в 44 трудах, в том числе: 1 монография (360 с), 2 отчета о НИР, 10 статей в рекомендуемых ВАК изданиях, 31 прочее издание.
Использование в промышленности и образовании. Результаты работы апробированы на промышленных предприятиях ФГУП «Ижевский механический завод», Ижевское ОАО «Редуктор»; в проектной организации: ГУП Республики Татарстан «Татинвестгражданпроект» в качестве средства автоматизации отдельных этапов проектных работ. Также результаты внедрены в образовательном учреждении Ижевский государственный технический университет. Создана новая дисциплина «Семантическое моделирование в САПР», включенная в учебный план специальности САПР на кафедре АСОИУ ИжГТУ. Отдельные темы работы использовались в дисциплинах «Информатика», «Математическая лингвистика» (специальность АСОИУ), «Лингвистическое и программное обеспечение САПР» (специальность САПР), «Теория языков программирования и методы трансляции» (специальность ПО ВТ и АС), а также в курсовом и дипломном проектировании (более 70 работ). В учебном процессе используется экспериментальная автоматизированная система SD (Semantic Design). Кроме того, методика и программное обеспечение информационной технологии семантического конструирования использовались в приемной комиссии для генерации вариантов тестов вступительного экзамена по информатике.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 216 наименований и 6 приложений. Основная часть содержит 330 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 39 рисунков. Приложения занимают 76 страниц, содержат 3 таблицы, 11 рисунков.
Анализ логики автоматизированного конструирования
Конструирование представляет собой деятельность с замыслами [2]. Конструкция - это продуманный и записанный комплекс свойств, который должен быть придан изделиям в процессе изготовления. Наука конструирования базируется на теории записи конструкции. В системах АП запись конструкции осуществляется с помощью некоторого языка в результате выполнения взаимосвязанного множества проектных процедур.
1.2.1. Состав и результаты процесса конструирования. Процесс конструирования осуществляется в соответствии с некоторой методикой. В [13] такая методика называется логикой конструирования. Под логикой конструирования в данном случае понимается последовательность, взаимосвязь и взаимообусловленность этапов процесса конструирования технического средства. Проектирование разделяется на две стадии - внешнее и внутреннее проектирование. Основным содержанием первой стадии проектирования является формулировка задачи, определение «входов» и «выходов», а также прочих существенных связей данного устройства с другими частями системы и с внешним окружением. Содержанием второй стадии является разработка принципиальной схемы, выявление наиболее важных технических характеристик устройства, вытекающих из его схемы и назначения, и затем подробная проработка конструкции. Рассматривается поэтапная схема конструирования технического устройства и особенности работы конструктора на каждом этапе.
Область применения схемы определяется рядом ограничений, принятых при ее построении. Здесь в виде итога перечисляются как уже введенные ранее ограничения, так и вводимые вновь. Все ограничения можно разделить на две группы: ограничения, относящиеся к конструируемому устройству; ограничения, относящиеся к процессу конструирования. Ограничения, относящиеся к конструируемому устройству, можно рассматривать как описания СиОИ.
В [48, 49] рассматривается несколько иная схема конструирования. При разработке любого технического объекта конструктору предстоит решить иерархическую последовательность задач выбора проектно-конструкторских решений. Эта последовательность имеет полное соответствие с иерархией описаний технического объекта. Рассматриваются различные типы задач.
1. Составление или уточнение описания потребности (функции).
2. Выбор физической операции.
3. Выбор функциональной структуры.
4. Выбор физического принципа действия.
5. Выбор технического решения.
6. Выбор параметров технического объекта и его элементов.
Все эти типы задач можно отнести к творческим инженерным задачам, но наиболее ярко выраженную принадлежность к таковым имеют задачи 3-5.
В [4, 37] рассматривается конструирование как отдельный этап. На этапе конструирования машины раскрываются связи свойств материалов, размеров и кинематики исполнительных поверхностей и механизмов, отыскиваются их оптимальные варианты и пересечения. Эти понятия включают следующее: связи свойств материалов; связи размеров; кинематические связи.
Выделенные в рассмотренных подходах типы задач и последовательность их решения имеют определенную идеализацию и условность, поскольку на практике проектирование и конструирование идут итерационно с многочисленными возвратами, а решение смежных задач часто совмещается. Проектируя машину, конструктор должен добиваться увеличения ее рентабельности и повышения экономического эффекта. Объединение множеств маркетинговых, экологических и экономических связей, как оболочка, охватывает связи этапа конструирования и ограничивает возможности при выборе материалов с необходимыми свойствами и приданием им нужных геометрических форм и размеров.
Можно рассмотреть и другие источники [2, 26, 34, 42, 44, 47]. Однако, приведенных примеров достаточно, чтобы сделать следующие выводы:
1. существенное внимание в процессе конструирования уделяется принятию конструкторских решений в условиях действия системы ограничений;
2. ограничения и требования являются в одних случаях главным результатом, в других случаях - побочным результатом этапа конструирования;
3. результатом некоторых этапов конструирования является формулировка некоторых отношений («установление связей», «сближение частей устройства») на элементах конструкции; отношения являются по сути дела своеобразной формой ограничений;
4. Выдвигаемые требования носят многоотраслевой характер.
1.2.2. Применение абстракций и формализация процесса конструирования. САПР рассматривается [1] как коллектив проектантов, объединенных в рамках одной предметной области единой проектной задачей, общим и однородным организационным, методическим, программным, математическим, информационным и лингвистическим обеспечением на основе определенных технических средств. Распределение функций между проектантами, а также характер их взаимодействия в вычислительной среде определяет организационное обеспечение. Характер сопровождения проектанта со стороны вычислительной среды, а вычислительной среды со стороны проектанта определяется методическим обеспечением. Вычислительная среда объединяет технические средства, программные части информационного и лингвистического обеспечения.
Начальный период развития техники характеризуется тем, что в создании машин участвовал преимущественно один человек. Создание новых изделий в этот период осуществлялось по схеме идея - модель [34]. Развитие технической культуры производства и рост потребности в новой технике заставили изготовителя новых машин обобщать накопленный опыт. Появились эскизы с указанием размеров деталей и характера сопряжений. А затем постепенно между идеей и моделью встал чертеж. На современном этапе изготовление новой техники осуществляется по схеме идея - чертеж - модель. Долгое время техническое оснащение и методика проектирования и конструирования существенно не менялись. Дальнейшей ступенью усовершенствования процесса разработки явилось АП. Применение вычислительной техники позволило возложить на машину ряд функций, которые до сих пор выполнял конструктор. Между идеей и чертежом появляется концептуальная модель конструкции. АП осуществляется теперь по схеме идея - концептуальная модель - чертеж - физическая модель. Таким образом, в процессе конструирования все более применяется метод абстракции. Причем в настоящее время используется два средства абстрагирования: чертеж, традиционное средство, имеющее более чем вековой опыт применения, и концептуальная модель, новейшее средство, за которой - будущее. Современная культура конструирования целиком базируется на использовании чертежа. Концептуальная модель конструкции пока не оказала существенного влияния на методы конструирования. Большинство попыток автоматизировать процесс конструирования базируются на традиционной схеме идея - чертеж модель. При этом разработчики систем АП пытаются смоделировать именно данную схему. Это выражается в том, что центральное место в системах АП отдается машинной графике.
Процессы проектирования по степени их формализации целесообразно разделить на три группы [8, 44]:
- хорошо формализуемые (одновариантный и многовариантный отбор и доработка по заданным критериям готовых конструктивно-технологических решений; оформление конструкторской и технологической документации; подготовка управляющих программ для оборудования с числовым программным управлением);
- формализуемые (проектирование с использованием типовых параметризованных моделей изделий и технологических процессов; разработка альтернативных планов обработки на основе модульно-групповой технологии; адаптивное моделирование и макропрограммирование операций обработки; инженерные расчеты и др.);
- слабо формализуемые (структурный и параметрический анализ и синтез изделия; проектирование оригинальных конструкций и технологических процессов; моделирование на концептуальной стадии проектирования; проектирование дизайна и др.).
Семантическая сочетаемость конструкторских понятий
Вернемся к вопросу выбора инвариантных к профессиональной, научной и потребительской специфике изобразительных средств описания свойств изделия [129]. Как показывает опыт реферирования научных текстов в информационных системах [54], определения релевантности документа запросу в поисковых системах [177] достаточно продуктивным является семантический прием, основанный на сочетаемости понятий. Например, такие словосочетания, как «синий шар», «синий автомобиль» являются семантически допустимыми, а словосочетание «синий электрон» - не допустимым. Отметим, что все эти словосочетания являются синтаксически правильными. Приведенный пример отражает простейший случай семантической сочетаемости понятий.
Предложение и другие синтаксические единицы языка являются частью знаковой системы языка. С другой стороны они являются самостоятельными единицами и характеризуются своими семантическими признаками. Так, выделяя слова и предложения как основные знаки языка, лингвисты в то же время четко разграничивают их отличительные признаки. В [117] говорится в этой связи: «Если слово именует вещь, то высказывание квалифицирует вещь или процесс с точки зрения познания человека». В [118] конкретизируется это противопоставление: «В качестве референта слова - отдельно взятый объект, в качестве референта предложения - связи между отдельными объектами или между объектом и его признаками». Исходя из этих различий, лингвисты предлагают рассматривать предложение "как сложный знак по отношению к простым знакам - словам, как номинацию особого рода, денотатом которой является не предмет, а целая ситуация, факт" [119].
Синтаксическая структура предложения отражает конструктивный состав его компонентов, необходимых для построения высказываний, соответствующих грамматическим нормам используемого языка. Содержательное, смысловое наполнение синтаксических моделей исследуется семантикой, которая оперирует понятием семантической структуры, представляющей обобщенные модели фактов и ситуаций, отраженных человеческим сознанием в форме предложения [119].
Это сосуществование двух видов структур в каждом предложении - явление закономерное и объективно обусловленное двойственным характером предложения как языкового знака, в котором «содержательный аспект онтологически неотделимо связан с материальным аспектом и они составляют единое целое»[120]. Однако взаимосвязь составляющих этого целого носит достаточно сложный характер, ибо каждая из двух вышеназванных структур, участвующих в создании предложения, регулируется своими принципами организации, ведущими к определенной степени автономности каждой из структур и отсутствию изоморфизма между означаемым и означающим в предложении, известному как «асимметрический дуализм между сторонами знака» [120].
При построении семантических структур мы будем использовать в качестве неделимых элементов низшего уровня конструкторские понятия, а правила семантической сочетаемости конструкторских понятий будем рассматривать как средство структурирования СиОИ. Естественно, что для описания СиОИ необходимо разработать специальный набор семантических структур, позволяющих учесть специфику прикладной задачи. Система АП должна содержать два взаимосвязанных вида семантических моделей: структурная семантическая модель и общая семантическая модель. Отметим, что обе модели являются по своей сути семантическими моделями, их отличие состоит в том, что первая описывает структурные свойства изделия, а вторая - произвольные. Структурная семантическая модель строится как модель структур конструкторских понятий, которые сами по себе являются семантическими категориями. Каждое предложение структурной семантической модели определяет возможные структурные сочетания компонентов и атрибутов изделия. К сочетаемым будем относить также определяющие особенности внешние объекты. Таким образом, в структурной семантической модели мы будем различать компонентные свойства, атрибутные свойства и особенности.
Общая семантическая модель базируется на структурной семантической модели. Каждое предложение общей семантической модели должно показывать наличие некоторого свойства изделия путем доказательства существования соответствующего реальному, но абстрактного свойства в структурной семантической модели в виде записи соответствующего соотношения. Семантические отношения между составляющими этой модели весьма разнообразны, но они могут быть описаны и представлены с помощью семантических структур. Решающую роль в построении той или иной семантической структуры играет сочетаемость конструкторских понятий. Семантическая сочетаемость конструкторских понятий - это инвариантный прием введения отношений между понятиями, способ определения и выявления СиОИ в описании конструкции.
Можно с уверенностью сказать: инвариантное к различным отраслевым и научным представлениям изобразительное средство описания СиОИ найдено! Для описания структурной и общей семантических моделей введем две категории правил: правила структурной сочетаемости конструкторских понятий и правила общей сочетаемости конструкторских понятий.
Правила сочетаемости конструкторских понятий являются своеобразными правилами логического вывода в процедурах семантического анализа и синтеза конструкции. Рассмотрим более подробно предлагаемые в настоящей работе правила семантической сочетаемости конструкторских понятий.
2.2.2. Правила структурной сочетаемости конструкторских понятий. Характеризуют структурные свойства изделия. Правила агрегации и наследования свойств конструкторских понятий определяют индивидуальность или общность свойств составных частей изделия. С другой стороны, они определяют способ образования структурной сочетаемости конструкторских понятий.
Отношение агрегации описывает отношение целого и части, приводящие к соответствующей иерархии конструкторских понятий, причем, идя от целого (агрегата), мы можем придти к его частям.
Агрегация может означать физическое вхождение объекта, обозначенного одним конструкторским понятием, в другой объект, обозначенный другим конструкторским понятием. Например, самолет состоит из фюзеляжа, двигателей, шасси и других частей. С другой стороны отношение понятия «самолет» с понятиями «крейсерская скорость полета», - это агрегация, которая не предусматривает физического включения. Однако свойства самолета существенно связаны с указанным понятием. Будем называть такие понятия атрибутами. Наконец, особенности самолета должны быть согласованы с понятиями «пассажир», «горючее». Такие понятия являются внешними. Таким образом, мы будем различать компонентную, атрибутную и внешнюю агрегацию.
Правило агрегации представляет собой запись свойств изделия путем явного указания свойств и понятий, при этом подчеркивается их индивидуальность. Например, «в планетарных передачах оси некоторых колес - сателлитов закреплены на вращающемся звене - водиле». В данном примере утверждается, что понятия «сателлит», «водило» являются неотъемлемой частью понятия «планетарная передача».
Правила агрегации представляют собой особый вид определений и вводятся с помощью формул структуризации. Формула структуризации представляет собой запись отношения «целое-часть» и записывается в виде х —» х}... хп. Слева в формуле находится записанное в виде термина определяемое конструкторское понятие, обозначающее «целое», справа располагаются конструкторские понятия, каждое из которых обозначает «часть». Предполагается, что данная запись является сокращенной формой записи набора отношений «целое-часть» х —» xj, ... , х —» хп. Например, высказывание «мотор-редуктор состоит из редуктора и электропривода» будет выражено в виде формулы структуризации: «мотор-редуктор» — «редуктор» «электропривод», другое высказывание «мотор-редуктор характеризуется мощностью на ведомом валу и угловой скоростью вала» запишется как «мотор-редуктор» — «мощность на ведомом валу» «угловая скорость вала». Правило применяется, в основном, для фиксации структурных свойств изделия и его атрибутов с помощью отношения «целое-часть». Транзитивное замыкание этого отношения позволяет вычислить во время семантического анализа описания конструкции иерархическую систему структурных связей компонент и атрибутов изделия. С проблемами транзитивности свойств можно познакомиться в [199] .
Однако, правила образования конструкторских структур в общем случае обладают более богатым, чем отношение «целое-часть», набором средств соединения конструкторских элементов. Поэтому конструкторские понятия, задействованные в правилах структурной сочетаемости, должны обладать некоторым набором семантических характеристик. Например, в отношении х — X]... хп некоторые понятия Xj и X:, г Ф j, i,j = l,...,n не должны встречаться одновременно, или, наоборот, должны встречаться одновременно, или должны встречаться одновременно при особых условиях. Поясним сказанное на примере, «узел корпуса» — «корпус» «крышка» «ручки» - в данном правиле понятия «корпус» и «крышка» должны встречаться одновременно (по технологическим или другим соображениям). С другой стороны, сочетание корпуса и ручек в изделии может быть только при определенных условиях, которые будем указывать в общей семантической модели.
Конструкторские модели в многозначной логике
Проектно-конструкторская деятельность характеризуется большим числом неопределенностей, появление которых необходимо учитывать при разработке программного обеспечения систем АГТ. Для иллюстрации и уточнения сказанного приведем несколько примеров неопределенных ситуаций АП.
Пример 1. В работе [48] рассматриваются примеры технических решений в виде пяти разновидностей чайников, из которых четыре имеют в качестве конструктивного элемента крышку, а пятый - не имеет. Было бы очень удобно сформулировать один раз технические условия на крышку. Однако если конструктор выберет пятый вариант (чайник без крышки), то понятию «крышка» не найдется соответствия в конструкторских данных. Возникает неопределенная ситуация, приводящая к невозможности продолжать вычисления технических условий. Можно, конечно, для каждой разновидности чайников отдельно привести технические условия на крышку, однако это приведет к тому, что для всех вариантов «чайников с крышкой» необходимо будет писать одно и тоже.
Пример 2 появления неопределенных ситуаций в вычислительной системе связан с тем, что в процессе построения СКР и его параметризации необходимо проводить проверку выполнения технических условий в реальном проектном времени. Следовательно, нужно проводить вычисления во время незавершенного процесса параметризации. Опять возникает неопределенная ситуация, связанная с вычислением формул, в которых не все переменные проини-циализированы. Можно, конечно, подождать, пока будет завершен синтез СКР и затем провести полный анализ. Однако, вполне вероятно, что инженер - конструктор ввел одним из первых ошибочное значение параметра и эта ошибка может сделать бесполезной всю дальнейшую работу. Такую ошибку иногда можно обнаружить. Например, пусть описание свойства изделия имеет вид А л Вив текущий момент времени значения формулы А заданы полностью, а В нет. Если теперь значение А равно «ложь», то, учитывая свойство конъюнкции, уже можно говорить об обнаруженной ошибке.
Пример 3 - это вычисление функции или операции за пределами ее области определения (простейший случай: деление на ноль), что приводит к возникновению исключительной (неопределенной) ситуации.
Можно рассмотреть и другие примеры. В литературе [35] вычисления, в которых не возникают исключительные ситуации из-за неопределенности данных, называются монотонными. В нашем случае, при произвольном числе различных неопределенностей необходимо организовать монотонные вычисления без возникновения исключительных ситуаций в вычислительной системе. При этом, учитывая специфику задачи конструирования, нужно осуществить диагностику вычислительного процесса с целью локализации причин появления неопределенных ситуаций. В одних случаях (пример 1) неопределенной ситуацией можно пренебречь, в других случаях (пример 2) необходимо завершить процесс конструирования. Пример 3 демонстрирует случай, когда необходимо срочно локализовать и исправить конструкторскую ошибку. Возможно также возникновение неопределенных ситуаций из-за ошибок эксперта.
Рассмотрим модель М = (A, J) языка описания свойств изделия L. Универсумом модели является непустое множество А. Интерпретирующее отображение /задает соответствие символам языка L, определенным на универсуме А отношениям, функциям и константам. Мы будем допускать частичные функции и предикаты в качестве интерпретаций и тогда всякий т - местный предикатный символ Р соответствует частичному т - местному отношению/? czAm, всякий т - местный функциональный символ F соответствует частичной т - местной функции/: " — А а всякий константный символ с - некоторому элементу а є А. В [18] рассмотрен метод обогащения моделей трехзначной логики, заданной с помощью сильных трехзначных связок Клини [36, 37]. В нем классическая логика расширяется до трехзначной логики введением дополнительного неопределенного значения со. Такое расширение удобно для анализа контекстных условий языков программирования. Здесь мы хотим ввести само понятие «не определено» в набор семантических инструментальных средств. Для этой цели необходимо более детально классифицировать неопределенные ситуации. Естественными расширениями из введенных операций являются только отрицание и эквивалентность. Несмотря на то, что конъюнкция, дизъюнкция и импликация не являются естественными расширениями классических логических операций (например, р2 = и имеет значение и, хотя один из аргументов есть /32), имеет место, следующее утверждение.
Утверждение 4.1. Расширения классических логических функций до введенной многозначной логики монотонны.
Доказательство. Рассмотрим случай конъюнкции. Нужно показать, что ДЛЯ ВСЄХ ( ph If/,) И {(р2, у/2), ЄСЛИ О, [//}) ((ft, Ц/2\ ТО pi л щ (р2 л у/2. Так как пары с определенными значениями могут аппроксимировать только себя, то имеем четыре случая: (и, и) (и, и) влечет и и, (и, л) (и, л) влечет л л, (л, и) (л, и) влечет л л, (л, л) (л, л) влечет л л. Значения и и л не связаны между собой отношением . Поэтому разобьем исходную таблицу истинности конъюнкции на две, в каждой из них содержатся только значения, связанные отношением В случае, когда аргументами функции «если-то-иначе» являются три логических значения, нужно вместо а и b подставлять логические значения и и л, а вместо значений as систематически подставлять значение Д. Для доказательства того, , что функция «если-то-иначе» является монотонной, построим диаграмму, в узлах которой числитель обозначает аргументы и знаменатель - значение функции для данных аргументов. Стрелки в диаграмме показывают отношение аппроксимации . Фрагмент диаграммы приведен в приложении 2. Предполагается, что на диаграмме приложения 2 выполняются следующие соотношения: р I j і, q m к, г n. Кроме того, имеет место в блоке 2j к; в блоке 3 к /; в блоке 4 / п, I т; в блоке 5 п I, I т; в блоке 6 т 1, т п; в блоке 7 п 1,п т. Аппроксимации аргументов и соответствующих значений функции можно проверить на диаграмме. Так, например, тройка (Д а, Ъ) менее определена, чем тройка (и, а, Ъ) и для соответствующих значений функции, а, и а, тоже выполняется отношение аппроксимации at a. Таким образом можно проверить все отношения аппроксимации. Следовательно, функция «если-то иначе» является монотонной.
4. Определим кванторы Б и 1/как функции из (А+)т в В+. Пусть р(х0, ... , хт) т + 1 - местный предикат, определенный на множестве А+. Тогда (3 хо)р(х0, ... , xj (обозначим его R(xo, ... , хт)) и ( Vхо)р(х0, ... , Хщ) (обозначим его Q(xo, ... , хт)) являются га-местными предикатами, определенными на А+, т.е. функциями из (А+)т в В+. По определению значение предикатаR(xo, ... , хт) на любом наборе (ао, ... , ат) є (А+)т является истинным, если, по крайней мере, для одного значения ао є А выполняется/? , ... , xj; является ложным, если на всех элементах ао є Ар(хо, ... , х„) есть «ложь»; является Д, если на всех элементах ао єАр(хо, ... , xj принимает значения из л, Д, ... , Д„ (і = 1, ... , п). Значение предиката Q(xo, ... , х„) на любом наборе (ао, ... , ат) є (А+)т является истинным, ъсшр(хо, ... , xj выполняется для любого ао є А; является ложным, если по крайней мере для одного элемента ао є А р(х0, ... , xj есть «ложь»; является Д, если на всех элементах ао є А р(хо, ... , х„) принимает значения из и, Pi, ... , Д, (/ = 1, ... , п). Аналогично определяются кванторы по
Утверждение 4.2. Если/?(Зсо, ... , х„) - монотонный предикат, определенный на А+ и т /, то (Вх])р(х0, ... , х„) и (Vxt) р(хо, ... , xj, где к = 0, ... , т, являются монотонными предикатами.
Доказательство. Рассмотрим случай квантора существования по JCQ.
Обозначим R(xj, ... , хт) = (Зс0)р(х0, ... , xj. Возьмем произвольные два набора {аи ... , сіп) и {bh ... , Ь„) такие, что (аі, ... , ащ) {bj, ... , Ьщ). Возможны следующие случаи.
а) Существует хотя бы одно значение ао переменной хо, при котором р(ао, aj, ... , сіщ) - и. Следовательно, в силу монотонности предикатарфо, Ъ}, ... , Ьщ) = и, где bo = а0. Но тогда по определению квантора существования R(blt ... , Ьщ) = и и, следовательно, имеет место R(aj, ... , aj R(blt ... , bj.
б) При всех значениях а0 переменной х0р(а0, а і, ... , а„) = л, следователь но, в силу монотонности предикатар(Ъ0, bh ... , bj = л, где Ь0 = а0. По определению квантора существования имеем R(a0, а і, ... , aj = л и R(bj, ... , Ьщ) = л и, следовательно, R(ah ... , a J R(bj, ... , Ьщ).
в) Все значения а0 переменной х0 дают либо р(а0, а і, ..., сіщ) = л, либо р(ао, аь ... , а.щ) =РІ, i=l, ... , п. Следовательно, в силу монотонности предиката для любых bo, таких, что а0 Ь0 в первом случае будетр(bo, bj, ... , Ьщ) = л, а во втором -р(Ь0, bh ... , Ьщ) =/3j (j=l, ..., і), шборфо, bi, ... ,Ьт)=л, либорф0, bh ... , Ьщ) = и. По определению квантора существования это означает, что R(au ..., ащ) = (Эхо) р( о, aj, ... , а„) есть Д, a R(bh ... , Ьщ) = (Зс0) р(х0, bh ... , Ьщ) есть і) «ложь», если для всех bo HMQQMp(b0, bj, ... , Ьщ) = л; ii) «истина», если встретился по крайней мере один bo такой, чторф0, bj, ... , Ьщ) = и; ш) Д (/=/, ..., і) в остальных случаях. Так как значение Д аппроксимируется либо любым определенным истинностным значением, либо любым неопределенным истинностным значением Д при/ і, имеем во всех случаях R(ah ..., а R(bj, ... , Ьщ).
Описание экспериментальных результатов
В настоящем разделе приведены результаты экспериментальной проверки полученных теоретических результатов с помощью разработанной для этой цели автоматизированной системы семантического конструирования
6.4.1. Использование результатов в промышленности. Эксперименты на реальных данных с системой семантического конструирования были проведены на Федеральном государственном унитарном предприятии «Ижевский механический завод» и Открытом акционерном обществе «Редуктор».
6.4.1.1. Описание эксперимента на ФГУП «Ижевский механический завод». Эксперимент проводился в рамках совместно проводимых работ Отдела дизайна и компьютерных технологий (отдел №160) и кафедры АСОИУ ИжГТУ. На предприятии возникла проблема создания конструкторской базы данных, содержащей сведения обо всех модификациях изделий, которые находятся или находились в производстве. Составной частью базы данных были сведения о потребительских свойствах каждой модификации изделия. Описание потребительских свойств модификаций изделий было построено с помощью языка SL/D и введено в автоматизированную систему SD. В акте внедрения отмечено: «Использованы методика и программное обеспечение семантического моделирования свойств изделия. Использование методики и программ позволяет обеспечить решение задач моделирования потребительских свойств изделия и обнаружения конструкторских ошибок». Акт внедрения приведен в приложении.
6.4.1.2. Описание эксперимента на ОАО «Редуктор». В рамках совместно проводимых работ Техноцентром ОАО «Редуктор» и кафедры АСОИУ ИжГТУ были использованы методика компьютерного моделирования задач расчета размерных цепей. Использование указанных результатов позволило выполнить по единой методике различные варианты задач проектирования размерных цепей, совмещать задачи конструкторского и технологического проектирования, создавать библиотеки типовых проектных решений по расчету размерных цепей, сократить затраты на проведение проектных работ. Акт внедрения приведен в приложении.
6.4.2. Использование результатов в проектных организациях. Эксперимент был проведен в Государственном унитарном предприятии республики Татарстан, головной территориальной проектно-изыскательской научно производственной фирме «Татинвестгражданпроект».
Суть эксперимента состояла в том, что были подготовлены описания строительных норм и правил: СНиП И-3-86 Строительная теплотехника [180], СНиП 2-01.07-88. Нагрузки и воздействия [181], СНиП 2-08.01-89. Жилые здания [182]. Описания СНиП были введены в компьютер и использовались для контроля их соблюдения в проектной документации, подготавливаемой автоматизированным способом. Результат эксперимента позволил сократить трудоемкость и сроки (примерно на 10-15%) проведения контроля проектной документации на соблюдение СНиП за счет автоматизированного выявления различного рода отклонений. Акт внедрения приведен в приложении.
6.4.3. Использование результатов в образовании. Диссертационная работа выполнялась в ВУЗе. Поэтому в образовательной области было проведено наибольшее число экспериментов. Многочисленные эксперименты были проведены в дипломном и курсовом проектировании по специальностям 22.02.00 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» и 22.03.00 «Системы автоматизированного проектирования».
Замечание. В настоящий момент введены новые шифры специальностей. В публикациях [136, 169, 174] использовались старые шифры специальностей, поэтому в целях устранения путаницы в настоящем изложении используются только старые шифры специальностей.
Силами студентов получены спецификации СиОИ по темам: проектирование редукторов, проектирование пресс-форм, проектирование кинотеатров, конструирование одежды, проектирование авторучек, проектирование рекламы и ряду других. Разумеется, нельзя сказать, что указанные спецификации выполнены на высоком профессиональном уровне, т.к. они создавались будущими специалистами про направлению «Информатика». Однако эти работы в полной мере удовлетворяют целям проведения эксперимента: практическая проверка полученных в работе теоретических результатов. Перечисленные эксперименты подтвердили работоспособность и практическую полезность предлагаемого в работе метода и информационной технологии семантического конструирования.
6.4.3.1. Использование результатов в учебном процессе. По результатам диссертационной работы создана новая дисциплина «Семантическое моделирование в САПР» [173] для студентов специальности 22.03.00 - Системы автоматизированного проектирования. Целью создания дисциплины является накопление и воспроизведение опыта в области конструкторской семантики и формализации свойств изделий. Целью изучения дисциплины является получение теоретических знаний и практических навыков создания интеллектуальных компонентов САПР: формализации профессиональных, научных и потребительских представлений специалистов о СиОИ; интеграции смысловых описаний свойств изделия, полученных от экспертов различных специальностей; создания смысловых моделей конструкции; построения интеллектуальных программных компонентов, основанных на семантической (смысловой) обработке конструкторских данных; разработки программного обеспечения для проведения гибкого смыслового анализа конструкторских решений, локализации и диагностики смысловых конструкторских ошибок; разработки программного обеспечения, обеспечивающего автоматизированный и автоматический синтез конструкторских решений.
Кроме того, изучаются методы формального документирования профессиональных, научных и потребительских представлений специалистов о свойствах изделия.
Данная дисциплина является базовой для изучения других дисциплин, связанных с построением интеллектуальных САПР, созданием конструкторских баз знаний.
Дисциплина «Семантическое моделирование в САПР» включена в учебный процесс специальности 22.03.00 в Ижевском государственном техническом университете. Преподавание осуществляется в 6 семестре и состоит из лекционных занятий (34 часа), упражнений (34 часа), лабораторных занятий (34 часа), самостоятельной работы (85 часов), курсовой работы. Завершается дисциплина экзаменационным контролем знаний студентов. Таким образом, дисциплина «Семантическое моделирование в САПР» в образовательном процессе специальности является достаточно объемной и ключевой.
По мнению автора, аналогичные дисциплины должны быть введены в учебный процесс для других, так или иначе, связанных с проектированием специальностей. С этой целью в настоящее время проводится работа по созданию аналогичных дисциплин для других специальностей.
Некоторые темы работы были использованы в дисциплинах «Информатика» [169], «Программирование на языках высокого уровня» [174] (специальности 22.02, 22.03) «Математическая лингвистика» [136] (специальность 22.02), «Лингвистическое и программное обеспечение САПР» (специальность 22.03)[172], «Теория языков программирования и методы трансляции» (специальность 22 04).
Изучение методов и приемов семантического моделирования позволяет студентам глубже освоить принципы построения автоматизированных систем.
6.4.3.2. Использование результатов в работе приемной комиссии. Приемная комиссия Ижевского государственного технического университета проводит конкурсную работу абитуриентов в виде тестирования. Образцом являются тесты, разработанные Федеральным агентством по тестированию [204]. В соответствии с образцом Федерального агентства приемная комиссия разрабатывает свои варианты тестов. Оказалось, что подготовка вариантов тестов является достаточно трудоемкой работой: примерная оценка составляет 0,5 чел/лет. Кроме того, в процессе тестирования обнаруживались ошибки в формулировках тестовых заданий, которые затем исправлялись при проведении апелляции.
В целях сокращения сроков и трудоемкости подготовки вариантов тестов и оставляемых ошибок был проведен эксперимент по использованию автоматизированной системы семантического конструирования SD для подготовки вариантов и решения тестов по дисциплине «Информатика». По заданиям теста было составлено семантическое описание (спецификация). Использование семантических описаний производится по двум схемам. По первой схеме в техническом задании определяются конкретные значения параметров теста. В этом случае система SD выполняет поиск единственного решения, т.е. получаем решатель тестов. По второй схеме в техническом задании параметры теста задаются диапазоном значений. В этом случае система SD выполняет поиск всех вариантов решения. Таким образом реализуется генератор вариантов тестов.