Да не обидятся на нас "коллеги" по цеху ( "по рынку" - не поворачивается язык ), но захотелось поговорить о принципах. Ибо только из них в нормальном мире вырастает РЕПУТАЦИЯ (Билл Гейтс не имеется в виду). Инженерная деятельность - отдельная, очень специфическая сфера. Во многом благодаря этой деятельности сегодня появляются новые потребности, товары и, как следствие, деньги и благосостояние многих. В силу этого - огромное многообразие направлений этой деятельности, поэтому компьютеризация инженерной деятельности - сложный и трудно формализуемый процесс
Именно поэтому в условиях экономически нерегулируемого общества, в этой сфере особенно много мифов и профанаций. Сегодня самые ретрограды, даже не понимая для чего, осознают, что без компьютеризации дальше нельзя. Итак, купили компьютеры - вроде бы начался позитивный ПРОЦЕСС. Однако дальше, оказывается, нужны какие-то программы. И тут, чаще всего, начинается РИТУАЛ. Чаще всего, вся остальная "стратегия" перепоручается человеку, который осуществлял процесс приобретения компьютеров. Далее – два варианта:
1. Этот человек является специалистом в автоматизации и понимает, что вариант 1С ( читай: графический редактор, твердотельный моделлер и т.д.) в инженерной деятельности не проходит. Поэтому, как это ни грустно, придется заниматься конструкторско-технологической унификацией, формализацией существующих знаний, реорганизацией подготовки производства и. как следствие, созданием автоматизированной системы предприятия собственными силами. Для этого нужно: желание, понимание руководства, сотрудников предприятия, время и деньги. Куда проще на приобретенные компьютеры поставить "готовые" решения и продемонстрировать руководству, что закупленная техника используется. Хотя практическая отдача примерно такая же, как и ранее, т.е. проектируют - опытные в СВОЕМ деле, и вручную; а неопытные, уже по их чертежам, "проектируют" показываемую начальству твердотельную модель. В итоге, даже если "идеолога" профессиональная совесть гложет – потенциально спокойная жизнь и долгая перспектива связывания всего закупленного "муравейника" типа "N-CAD","N-технология" и т.д. в некое подобие единой системы, ссылаясь на проблемы, "всеобщие" тенденции и, как следствие - снятие с себя ответственности, НО и отсутствие результата ( сегодня - потенциальное увольнение).
2. Этот человек не хочет НИЧЕГО понимать ( или просто ничего не понимает в инженерной деятельности). Т.е. его полностью устраивает предыдущий вариант. К тому же он еще получает "процент" (т.к. слово "зарабатывает" употреблять не хочется). В итоге: руководство соблюдает РИТУАЛ, выделяя деньги, тем самым передоверяя использование зачастую очень больших средств человеку, который либо ничего не понимает в компьютеризации инженерной деятельности, либо тоже начинает соблюдать РИТУАЛ по вышеописанной схеме.
Кто от этого выигрывает? Только те, кто зарабатывает, извините, на "богатых" людях: " Вы считаете, что вам нужна "готовая" автоматизация? - Вот Вам, в коробочке! Российский рынок, господа. Дешево и сразу. Итак, тупик? - Отнюдь, и фирма СПРУТ-ТЕХНОЛОГИЯ неоднократно писала и будет писать об этом. Просто сегодня необходимо понять: для того, чтобы СОХРАНИТЬ и ПРЕУМНОЖИТЬ интеллектуальный потенциал (а значит - конкурентоспособность) каждого российского предприятия, необходимо сочетание не "компьютер плюс универсальная CAD,CAM и т.д. система", а сочетание "компьютерная технология, умножить на знания конкретного специалиста". Вот об этой технологии - СПРУТ-технологии, мы и продолжим начатый вот уже больше года назад разговор на страницах этого журнала. Здесь - о методах практической реализации специализированных автоматизированных интеллектуальных рабочих мест в системе СПРУТ.
Широко распространено мнение, что систем, объединенных понятием "САПР", существует три типа: "высокого", "среднего" и "низкого" уровня. Или "тяжелые", "средние" и "легкие" - суть от этого не меняется. Причем на нижнем уровне этой градации - графические редакторы. Дальнейший рост определяется, как правило, наличием параметризации, твердотельной геометрии, расчетов УП для станков с ЧПУ и т.д. В соответствии с этим - ценовая градация. Далее, поскольку система понятий определена, деваться некуда - необходимо только выбрать тот или иной редактор, моделлер и т.п. Однако, реальные задачи проектирования не сводятся к "электронизации" инженерной документации. Например, необходимо спроектировать и изготовить мотор-редуктор. Это - серьезный процесс согласованного труда инженеров, управленцев и т.д. Причем выпуск и передача документации на следующий этап - далеко не определяющая в во всем цикле "проектирование- изготовление" составляющая. Теперь представим себе компьютерную систему, входными данными для которой являются: крутящий момент, внешние условия (скажем температура), условия оптимизации и т.д. - собственно задание на проектирование. После чего каждому специалисту предлагаются варианты, начиная с выбора решения конструкции и кончая генерацией чертежей, технологией изготовления и оценками себестоимости. Остается только отредактировать результаты. Для проектировщиков редукторов такая система по сравнению, скажем, с UNIGRAPHICS или ProEngineer, является САПР более "высокого" уровня, т.к. это не просто универсальный моделлер, а "САПР - РЕДУКТОР". Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что реально уровень любой системы САПР (если ее так называют) должен характеризоваться не набором заложенных универсальных функций, а степенью автоматизации самого ПРОЦЕССА проектирования конкретного изделия. Чтобы не уходить далеко, рассмотрим далее в качестве реального примера процесс создания специализированной интеллектуальной САПР проектирования волновых редукторов на основе СПРУТ-технологии. Сразу оговорим ограничения. В рамках одной статьи невозможно подробно, показать в деталях весь процесс создания САПР (хотя реально это занимает не так много времени у специалиста-непрограммиста). Для этого необходимо приехать в офис фирмы или пройти обучение в нашем учебном центре. Далее, по этой же причине не затрагиваются вопросы технологического проектирования и т.д., но основные принципы описанные ниже, пытливому читателю, надеемся, дадут возможность понять смысл и отличия от широко рекомендуемых путей.
Принципиальное отличие интеллектуальных систем автоматизированного проектирования в том, что в качестве исходной информации выступают технические требования к изделию и знания о методах его проектирования, основанные на его функциональном назначении и опыте эксперта. Графический образ изделия появляется (а чаще просто генерируется) позже. Само понятие интеллектуальной САПР говорит о явном присутствии в системе знаний, т.е. о возможности на каком-либо уровне принимать решения без участия проектировщика. Такая возможность может быть обеспечена путем перехода от построения системы проектирования с алгоритмического принципа работы САПР на методику объектно-ориентированного подхода. При таком подходе объект проектирования (точнее, его информационная модель ) по мере проектирования непрерывно изменяет состояние вплоть до окончания процесса. Объектный подход имеет следующие преимущества:
-существенно повышается качество разработки в целом и ее фрагментов;
-системы получаются более компактными и дешевыми;
-обеспечивается большее удобство в планировании разработок;
-упрощается процесс внесения изменений;
-изменение исходных требований не приводит к полной переработке системы;
-уменьшается риск в разработке сложных систем;
-подход ориентирован на человеческое восприятие, т.к. для человека более естествен объектный, а не процедурный подход.
-возможность создания и сопровождения систем специалистами прикладных областей практически без помощи программистов;
-резкое сокращение за счет вышеупомянутого сроков создания высокоавтоматизированных систем, основанных на знаниях;
-сокращение трудоемкости программирования за счет автоматической генерации программ на одном из процедурных объектно–ориентированных языков;
-сокращение трудоемкости адаптации, сопровождения и развития систем силами пользователей.
Существует специфика применения объектно – ориентированных методов при создании комплексных интеллектуальных систем автоматизации проектирования.
Выделяют три существенных момента объектно - ориентированного подхода (ООП):
1. ООП использует в качестве элементов объекты, а не алгоритмы;
2. Каждый объект является реализацией какого-либо определенного класса;
3. Классы организованы иерархически.
Интеллектуальная САПР строится для целого класса ФУНКЦИОНАЛЬНО подобных изделий. Т.е. речь не идет о САПР, как о генераторе параметрических геометрических моделей типового изделия с возможными дополнениями, а как о системе, где такой компонент как параметризованный графический образ изделия в виде чертежа или иной геометрической информации является лишь составной частью всех знаний об изделии. Геометрические знания могут и не использоваться при проектировании. Важным моментом является процесс принятия решений при проектировании. Понятие "интеллектуальная система" ни в коей мере не означает, что в процессе проектирования не может участвовать человек. Понятие интеллектуальной САПР подразумевает разумное сочетание по вопросам принятия решений между человеком и тем интеллектуальным ядром, которое присутствует в системе. Неоспоримым достоинством интеллектуальной САПР является то, что процесс проектирования изделия не связан с уровнем квалификации конечного пользователя системы. Вся нагрузка по грамотному формированию внутреннего интеллектуального ядра системы ложится на плечи эксперта в предметной области (ими, как правило, являются ведущие специалисты предприятий ) и только на стадии создания системы. Гибкость объектно-ориентированного подхода в проектировании позволяет без коренной перестройки корректировать элементы системы и расширять ее возможности.
В качестве единого механизма, обеспечивающего разработку и использование интеллектуальной САПР, выступает комплекс инструментальных средств разработки интеллектуальных САПР интегрированной системы СПРУТ. Процесс разработки и функционирования интеллектуальной САПР основан на нескольких взаимосвязанных последовательных процессах. В основе интеллектуальной САПР лежит банк знаний. Формирование банка знаний - основная задача построения интеллектуальной САПР. На этой стадии знания эксперта формализуются в соответствии с заложенными в нашей технологии методиками. Банк знаний по конкретной прикладной области после формирования содержит иерархическую структуру объектов проектирования, базы знаний по структурно-параметрическому синтезу и базы данных с установленными между ними связями. После завершения процесса формирования банка знаний эксперт в прикладной области не принимает активного участия в работе интеллектуальной САПР, его роль на дальнейших стадиях работы системы - возможная коррекция отдельных составляющих банка знаний. После формирования банка знаний следующим этапом разработки интеллектуальной САПР является построение оболочки-посредника между сформированным банком знаний и пользователем системы. Посредством инструментальной подсистемы формирования интерфейса формируется прикладной интерфейс конкретного банка знаний к внутренней унифицированной форме представления банка знаний. Функционирование интеллектуальной системы начинается с процесса взаимодействия с пользователем. На этом этапе формируются конкретные значения исходных данных, которые активизируют различные компоненты банка знаний. Далее происходит поиск решения прикладной задачи на основе исходных данных пользователя и сформированного банка знаний. Поиск решения прикладной задачи опирается на интеллектуальное ядро системы. Окончательным этапом работы интеллектуальной САПР является формирование результатов. Это может быть хранимая модель процесса, изделия, конструкторская, технологическая документация и т.д. Процесс формирования результатов производится подсистемой формирования и вывода результатов.
Структурно - параметрический синтез изделия в методологии объектно-ориентированного проектирования производится на основе банка знаний, представляющего собой метамодель определенного класса изделий, баз знаний и баз данных. Метамодели вводятся для описания знаний о всех известных альтернативных решениях применительно к данному классу изделий на всех иерархических уровнях декомпозиции этих изделий. Включенные в метамодель подсистемы называются элементами метамодели. Построение метамодели должно производиться в соответствии с объектным подходом. Основу метамодели составляют интеллектуальные объекты.
Интеллектуальный объект - объект, поведение которого (метод) определяется элементами баз знаний. В метамодель могут входить два типа интеллектуальных объектов: неструктурированные и структурированные.
Неструктурированным интеллектуальным объектом является независимая информационная единица (например, деталь ) имеющая набор входных параметров, набор внутренних атрибутов и методов. Такой подход обеспечивает реализацию принципов ограничения доступа и модульности. Структурированным интеллектуальным объектом является независимая информационная единица (например, узел )имеющая набор входных параметров, набор внутренних атрибутов и методов и принадлежащий ему "И/ИЛИ" граф подчиненных интеллектуальных объектов.
Интеллектуальный объект - замкнутое информационное пространство, обладающее набором свойств, ограниченных доменами значений, базами данных и знаний и информационным входом. Интеллектуальные объекты обладают методами, необходимыми для определения их свойств. Методы объединяются в классы в соответствии с родо-видовыми отношениями инженерных дисциплин и их разделов. Каждый метод интеллектуального объекта обладает свойствами экспертных систем, поскольку для выполнения своих функций каждый метод использует информационно связанный набор модулей инженерных знаний (МИЗ), представляющих собой продукционные правила, объединенные в ранжированную семантическую сеть. МИЗ объединяются в функциональные библиотеки - базы знаний (БЗ).
Все свойства, неопределяемые в МИЗ, имеющихся в составе метода, являются исходными для этого метода. Методы, информационно - связанные с объектом называются объектно-зависимыми или методами интеллектуального объекта. Подключение к работе функциональных модулей объектно-ориентированных методов осуществляется системой управления интеллектуальной САПР по мере готовности исходных данных для модуля и выполнения условия его применения. Использованные в МИЗ системные свойства формируют его связи по входу - выходу. На основании анализа входных свойств в предусловии МИЗ производится обращение к программному модулю, осуществляющему вычисление значений выходных свойств по значениям входных. При внедрении метода в объект входным и выходным переменным его ставятся в соответствие переменные объекта.
Описание мета системы - главная задача разработки прикладной интеллектуальной САПР. Следующий этап - разработка баз знаний для использования их при разработке методов интеллектуальных объектов. Разработка баз ведется в специализированной среде формирования баз знаний, фрагмент которой изображен на рис. 6. Методы интеллектуальных объектов также являются элементами баз знаний, поскольку одни и те же методы, могут быть использованы при описании разных объектов. Существует общая последовательность построения базы знаний
Перед началом работ по разработке мета системы было принято, что в качестве исходных условий принимаются редукторы, передающие только вращательное движение, передача винтового и поступательного движения не рассматривалась (хотя это и возможно). Исполнение общей функции передачи вращательного движения распределено между несколькими узлами волнового редуктора, причем независимо от типа и конструктивного исполнения.
По сути, тот набор механизмов, который изображен на функциональной схеме волнового редуктора и явился верхним уровнем разрабатываемой мета системы. Волновой редуктор, состоящий из приведенных общих узлов в связке "и", является основой для дальнейшего формирования мета системы. В качестве базового направления движения при формировании мета системы было принято движение "сверху-вниз" по иерархическим ступеням мета системы. Движение "снизу-вверх", от какой-либо конкретной реализации, не оправдывается, поскольку теряется общая картина проектируемой мета системы. При этом подходе трудно выстроить общую, глобальную структуру связей внутри мета системы. Так, при попытке осуществить движение от конкретной реализации волнового редуктора был сразу упущен следующий аспект: потерялись общие структурные свойства объектов проектирования, которые должны были нести всю ответственность за выбор конструктивного решения того или иного узла. Следующим этапом построения мета системы явился анализ типовых вариантов конструктивного исполнения узлов волновых генераторов. В качестве источников информации выступала нормативная литература по проектированию узлов и деталей.
Работа строилась следующим образом:
Первоначальное исследование типов исполнения волновых редукторов по структурным свойствам, например герметичность, число ступеней, тип генератора волн.
Выявление состава узлов для каждого конкретного исполнения волнового редуктора вплоть до деталей и элементов формы деталей.
Описание вариантов конструктивного исполнения волновых редукторов являлся промежуточным в процессе формирования мета системы "Волновые редукторы". При формировании типовых вариантов конструктивного исполнения использовался принцип построения "и/или" графа. При этом необходимо отметить, что приведенная структура типовых вариантов исполнения ни в коей мере не является мета системой "Волновые редукторы".
Хотя структура типовых вариантов конструктивного исполнения и построена с использованием принципов построения "и/или" графа, она не является "и/или" графом объектов проектирования. Т.к. в этой структуре присутствуют как объекты, так и их структурные свойства. При попытке принять структуру вариантов типового исполнения за мета систему, получалось, что даже на первых двух уровнях декомпозиции число объектов превосходило десятки элементов, поскольку, например, за разные объекты принимались два совершенно одинаковых. отличавшиеся только одним структурным свойством. Это приводило к следующему: реальным проектируемым являлся объект, находящийся в самой конце цепочки объектов, наследующих только одно или несколько структурных свойств. Например, при определении в качестве объекта проектирования редуктора одноступенчатого, герметичного, с внутренним генератором, с одним жестким колесом, редуктор одноступенчатый, герметичный, с внутренним генератором являлся всего лишь передаточным звеном предыдущего, только наследуя последующему свои структурные фиксированные свойства. И его остальные свойства не несли никакого смысла элементов проектирования. Поэтому следующим этапом работы было разделение собственно структурных СВОЙСТВ объектов и самих объектов. При этом структурные свойства начали нести функции своеобразных флагов. Значения структурных свойств, по сути, стали определять направление дальнейшего процесса проектирования и определять характер конструктивного исполнения объектов нижнего уровня иерархии. Только после выделения структурных свойств началось построение истинного "и/или" графа мета системы.
При определении методов объектов метасистемы выявилась необходимость следовать следующим принципам: объекты нижнего уровня иерархии с точки зрения использования знаний должны нести большую нагрузку в плане исключительно конструкторских расчетов. Так при определении методов для объекта "Узел зубчатая передача" все расчеты параметров колес, связанных с зацеплением были включены в метод этого объекта. Объекты нижнего уровня иерархии, такие как "Узел жесткого колеса", "Узел гибкого колеса" и нижних уровней только используют рассчитанные данные при построении конструкций и не производят расчетов зацепления. В этом смысле эти объекты обладают меньшим набором знаний по сравнению с объектом "Узел зубчатая передача". Итак, чем выше по уровням иерархии находится объект, тем большим набором знаний он должен обладать, тем самым уменьшая "самостоятельность" объектов нижнего уровня.
Все описанные выше этапы по разработке интеллектуальной САПР по проектированию волновых редукторов осуществлялись с использованием комплекса инструментальных сред фирмы СПРУТ-Технология для быстрой разработки специализированных интеллектуальных САПР: инструментальная среда разработки информационных метамоделей (см номер САПР и графика 3-98за), среда разработки баз знаний (см номер САПР и графика 12-97), система формирования интерфейсов (см номер САПР и графика 2-98), система разработки геометрических моделей (см номер КомпьютерПресс 4-97),генератор систем документирования Благодаря этому общее время разработки специализированной интеллектуальной системы составило две недели.
Результатом работы разработанной специализированной интеллектуальной системы проектирования волновых редукторов являются твердотельные модели сборки с массо инерционными характеристиками, комплекты конструкторской документации, включая чертежи всех узлов и деталей, сборочных чертежей, спецификаций, и комплекты технологической документации.
Если рассматривать разработанную систему с точки зрения специалиста-проектировщика волновых редукторов, то она является на порядок более мощной системой проектирования, чем универсальные САПР “тяжелого” класса, и представляет собой, действительно, систему АВТОМАТИЗИРОВАННОГО проектирования.