Модульный подход к представлению моделей методик проектирования в интеллектуальных САПР

Григорьев, А. В. Модульный подход к представлению моделей методик проектирования в интеллектуальных САПР / А. В. Григорьев // Программная инженерия: методы и технологии разработки информационно-вычислительных систем (ПИИВС-2018) : Сборник научных трудов II Международной научно-практической конференции, Донецк, 14–15 ноября 2018 года. Том 1. – Донецк: Донецкий национальный технический университет, 2018. – С. 269-273. – EDN QQTULR.

А. В. Григорьев

Донецкий национальный технический университет

grigorievalvl@gmail.com

Аннотация

В работе определены общие принципы модульного построения базы знаний для методик проектирования в интеллектуальных САПР, а так же ряд конкретных методов представления знаний и методов организации логического вывода в рамках предлагаемого общего подхода.

Введение

Эффективность процессов проектирования в любых предметных областях в настоящее время во многом определяется наличием и степенью развития средств, позволяющих проектировщику формализовать и повторно использовать экспертные методики для проектирования тех или иных изделий [1-6].

Методики проектирования призваны существенно упростить проектировщику решение задачи проектирования, исходя из требований технического задания на изделие (ТЗ). Такие средства позволяют создавать методики проектирования, сохранять их, редактировать и - применять по мере надобности. Эффект в этом случае состоит в сокращении времени и трудоемкости процесса принятия проектных решений. Учитывая актуальность задачи построения инструментальных средств создания моделей методик проектирования, важной представляется задача анализа существующих подходов в этой области, а так же определение перспективных направлений их дальнейшего развития. В настоящее время подходы, применяемые для представления методик проектирования в современных интеллектуальных САПР, можно условно подразделить на три группы: онтологии, алгоритмы проектирования, программный синтез.

Методы, предложенные ранее автором, относятся к программному синтезу [7-22]. Однако, данные работы не содержат систематического изложения понятия методики проектирования.

Цель предлагаемой работы:

  • дать более полное, систематическое определения понятия «модель методики проектирования» в технологии мета-эвристических оболочек;
  • дать более систематическое описание методов представления знаний и организации процесса вывода для модели методики проектирования» в технологии мета-эвристических оболочек.

1. Определение модели методики проектирования в технологии мета-эвристических оболочек

Дадим систематическое определение понятия методика проектирования в технологии «метаэвристические оболочки».

Модель методики проектирования – это:

1) Состав базы знаний, как набор модулей знаний для структурных блоков различных типов;

2) Алгоритм вывода, построенный как вывод на множестве вложенных модулей знаний, включая:

2.1) Вывод, определенный в рамках единичного модуля знаний для блока некоторого типа, целью которого есть построение:

  • структуры блока, как состава нижележащих блоков, рассматриваемых как нижележащие модули знаний с конкретными постановками задачи дальнейшего синтеза;
  • набора связей между модулями знаний, как средства доопределения внешних границ внутренних блоков, т.е. – модулей знаний;
  • набора внешних границ внутренних подблоков, как постановки задачи для синтеза нижележащего модуля знаний, относящегося к некоторому типу структурных блоков;

В работе [13] дана общая модель методики проектирования и - единичного модуля знаний.

Дадим краткую характеристику этого подхода.

Данный подход:

  • работает только с семантикой модели;
  • не затрагивает грамматику представления модели блока;
  • задает общую структуру модели блока;
  • задает структуру множеств, составляющих структуру модуля знаний;
  • задает сборник всех аксиом, определяющих требования к составу ИЛИ-узлов и И-узлов И-ИЛИ-дерева при декомпозиции блоков;
  • задает сборник возможных типов правил вывода, задающий рамки, общий состав правил вывода, но - не сами правила вывода;
  • задает конкретный состав правил вывода в заданных рамках (т.е. – наличие правил вывода каждого типа) должен определяться режимом (умный, средний, глупый);
  • форма задания правил вывода напрямую определяется конкретным методом представления знаний, который можно определить в рамках данного подхода;
  • определяет состав продукций, составляющих единичный модуль знаний,
  • отдельный тип продукций рассматривается как отношение между множествами структурных компонент различного типа;

Вывод: подход задает общий подход к заданию методики проектирования, т.е.:

1) общую структуру модуля знаний и набор типов продукций;

2) общий порядок вывода на наборе модулей знаний;

3) общий порядок вывода в рамках единичного модуля знаний;

Различные подходы к представлению знаний позволят доопределить общий подход до уровня модели методики проектирования.

2. Общие методы построения методики проектирования

Определим общую модель модуля знаний и – общий порядок синтеза желаемой структуры блока в рамках единичного модуля знаний.

2.1. Модель структуры блока как механизм деления единичного модуля знаний на отдельные подмодули.

Исходя из предлагаемой структуры модели структурного блока, рассматривается и соответствующий состав подмодулей модуля знаний. А именно:

Блок, как компонент внешней среды:

  • внешней границы;

Внутренняя среда:

  • внутренней границы (состав подблоков различных типов, обратная граница);
  • набор структурных связей между подблоками.
  • внешние границы подблоков;

2.2. Общий порядок синтеза желаемой структуры блока в рамках единичного модуля знаний.

Общий порядок синтеза на совокупности подмодулей знаний, составляющих модуль знаний о структуре блока, таков:

  • определение состава внешней границы блока на основе совокупности связей во внешней среде;
  • автоматический вывод на множестве подмодулей знаний, исходя из совокупности данных, составляющих внешнюю границу блока;
  • «ручное» доопределение части недоопределенных ИЛИ-узлов, выполняемое путем ведения диалога с пользователем, осуществляющим прямой выбор требуемой ему альтернативы, как части ввода технического задания на изделие путем определения необходимых структурных отличий блока.

Существуют различные стратегии вывода на данном множестве подмодулей. Они разнятся в способе представления знаний о наборе структурных компонент различных типов, отличающегося :

  • количеством подмодулей;
  • наличием и формой задания семантических связей между отдельными подмодулями.

Например:

  • наличием или – отсутствием подмодуля определенного типа;
  • наличием и количеством отношений совместности-несовместности между отдельными подмодулями знаний;
  • наличием и количеством отношений зависимости меду подмодулями знаний в форме общей части описания структурной модели блока.

3. Отношения зависимости между отдельными подмодулями знаний как И-ИЛИдеревьями.

Отдельный подмодуль знаний представляет собой онтологию в форме И-ИЛИ-дерева, над ИЛИ-узлами которого определен ряд отношений совместности-несовместности.

Над совокупностью И-ИЛИ-деревьев также может быть определен набор зависимостей.

Зависимости могут задаваться двумя способами:

1) в форме отношений совместности-несовместности между ИЛИ-узлами двух И-ИЛИ-деревьев;

2) в форме общей части описания структурной модели блока.

Рассмотрим эти формы зависимости детальнее.

3.1. Отношения зависимости между И-ИЛИ-деревьев в форме отношений совместности-несовместности

Над совокупностью И-ИЛИ-деревьев также может быть определен набор отношений совместностинесовместности.

Отношения могут выстаиваться:

  • между всеми возможными парами И-ИЛИ-деревьев;
  • между подмножеством возможных пар И-ИЛИ-деревьев;

Если имеются все возможные пары отношений, то порядок вывода может быть любой, с любым критерием оптимизации вывода. Например:

  • по критерию наибольшего сужения неопределенности, предложенного раннее автором.

Если имеется только определенный набор пар отношений совместности-несовместности между парами И-ИЛИ-деревьев, то тогда порядок вывода определяется как «от уже определенного дерева к еще не определенному».

3.2. Отношения зависимости между И-ИЛИ-деревьев в форме общей части описания структурной модели блока

Отношения между парами И-ИЛИ-деревьев может выстраиваться не только посредством отношений совместности-несовместности, но и - посредством общей части множества используемых элементов структуры одного типа.

Например:

1) Внешняя граница однозначно определяет часть внутренней обратной границы блока;

2) Внутренняя обратная граница детализируемого блока определяет:

  • - часть структурных связей, существование которых определяется наличием того или иного компонента внутренней обратной границы;

3) Состав структурных связей однозначно определяет:

  • состав всех внутренних подблоков;
  • все внешние границы всех внутренних подблоков;

4) Состав внутренних подблоков однозначно определяет часть структурных связей, входящих во внутреннюю среду блока.

Специфика вывода связанных подмодулей на основе структурной связи:

  • в связи есть идентификация блока (внешней границы), к ней добавляется единичное данное, расширяя тем самым текущее состояние множества внешней границы;
  • в этом самом множестве внешней границы уже есть системообразующая часть, не зависящая от условий применения;
  • факультативная часть представляет собой И-ИЛИ-дерево; И-ИЛИ-дерево сужается после каждого шага вывода;
  • т.о., структурная связь есть правило вывода, трактуемое так «наличие связи порождает необходимые данные у внешних границ связанных блоков»;
  • порождаемое данное изменяет (сужает) набор вариантов представления факультативной части; при этом порождаются новые постоянные части внешней границы;

3.3. Некоторые специфические формы представления знаний и организации вывода

Рассмотрим различные способы представления знаний и организации логического вывода в случае отсутствия отношений совместности-несовместности между отдельными подмодулями знаний.

В этом случае вывод определяют только отношений зависимости меду подмодулями знаний в форме общей части описания структурной модели блока

Например:

1) «Сокращенный» способ синтеза.

Хранится:

  • подмодуль внешней границы;
  • подмодуль обратной границы;
  • подмодуль состава внутренних связей.

Можно хранить среды как наборы связей, создавая И-ИЛИ-дерево, объединяющее воедино различный состав связей для тех или иных прототипов.

В дальнейшем выбранный состав связей однозначно определяет всю внутреннюю структуру блока.

Т.е., исходя из выбранного состава связей, порождается:

  • состав внутренних подблоков;
  • внешние границы внутренних подблоков.

2) «Обычный» способ синтеза.

Хранятся все необходимые подмодули:

  • внутренней границы (состав подблоков);
  • набор структурных связей между подблоками;
  • внешние границы всех типов подблоков;

Исходя из состава данных, составляющих внешнюю границу блока, последовательно выполняется синтез необходимого состава:

  • соответствующий фрагмент внутренней обратной границы детализируемого блока;
  • внутренних связей;
  • внутренних поблоков, как недостающую часть «внутренней» обратной границы блока;
  • внешних границ внутренних подблоков.

Выводы

В работе достигнуты следующие результаты:

  • дано более полное, систематическое определения понятия «модель методики проектирования» в технологии мета-эвристических оболочек;
  • дано более систематическое описание методов представления знаний и организации процесса вывода для модели методики проектирования» в технологии мета-эвристических оболочек.

По вышеизложенному материалу можно сделать вывод, что задача, поставленная в цели работы, выполнена.

В качестве перспектив следует выделить следующие работы:

  • уточнить специфику модельного представления методик проектирования для различных режимов построения базы знаний, связанных с уровнем квалификации проектировщика в инженерии знаний, а именно – эксперта низкого уровня квалификации, не способного вообще строить продукционные системы, эксперта среднего уровня квалификации, способного явно строить И-ИЛИ-деревья, и – эксперта высоко уровня квалификации, способного самостоятельно построить простейшую продукционную базу знаний;
  • соотнести специфику данного подхода с альтернативными способами модульного представления знаний.

Литература

  1. Грубер Т. К принципам проектирования онтологий, используемых для обмена знаниями // International Journal of Human-Computer Studies. – 1995. – № 43(5/6). – С. 907–928.
  2. Гаврилова Т. А., Хорошевский В. Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. – СПб.: Питер, 2000. – 384 с.
  3. Нариньяни А. С. Кентавр по имени Теон: тезаурус + онтология [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dialog-21.ru/materials/archive.asp?id=6771&y=2001&vol=6077 .
  4. Норенков И. П. Разработка систем автоматизации проектирования. – М.: МГТУ им. Э. Н. Баумана, 1994. – 207 с.
  5. Поспелов Д. А. Ситуационное управление: теория и практика. – М.: Наука, 1986. – 288 с.
  6. Нариньяни А. С. Недоопределённость в системах представления и обработки знаний // Известия АН СССР. Техническая кибернетика. – 1986. – № 5. – С. 3–28.
  7. Григорьев А. В. Комплекс моделей САПР как система взаимосвязанных уровней о действительности // Научные труды ДонНТУ. Серия «Информатика, кибернетика и вычислительная техника», (ИКВТ-2000) вып. 10. – Донецк: ДонГТУ, 2000. – С. 155–167.
  8. Григорьев А. В. Семиотическая модель базы знаний САПР // Научные труды Донецкого государственного университета. Серия «Проблемы моделирования и автоматизации проектирования динамических систем». – Вып. 10. – Донецк: ДонНТУ, 1999. – С. 30–37.
  9. Григорьев А. В. Представление недоопределённости знаний в инструментальной оболочке для построения САПР // Искусственный интеллект. – 1999. – № 6. – С. 56–66.
  10. Григорьев А. В. Состав параметров адаптации на проблемную область в инструментальной оболочке для автоматизации построения интеллектуальных САПР. В кн.: Научные труды ДонНТУ. Серия «Информатика, кибернетика и вычислительная техника» (ІКОТ-2011). – Вып. 14(185). – Донецк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2011. – С. 252–261.
  11. Григорьев А. В. Пути создания интеллектуальных САПР при различных уровнях квалификации экспертов // Научно-теоретический журнал «Искусственный интеллект». – 2005. – № 3. – С. 758–763.
  12. Григорьев А. В. Вербальная модель предметной области для интеллектуальных САПР // Научные труды Донецкого государственного технического университета. Серия «Вычислительная техника и автоматизация». – Вып. 20. – Донецк: ДонДТУ, 2000. – С. 171–180.
  13. Григорьев А. В. Семантика модели предметной области для интеллектуальных САПР // Научные труды Донецкого государственного университета. Серия «Информатика, кибернетика и вычислительная техника», (ИКВТ-2000) вып. 10. – Донецк: ДонГТУ, 2000. – С. 148–154.
  14. Григорьев А. В. Содержание некоторых категорий абстракций в теории построения интеллектуальных САПР. В кн.: Научные труды Донецкого национального технического университета / редкол.: Башков Е. О. и др. Серия «Вычислительная техника и автоматизация». – Вып. 64. – Донецк: Изд-во ДонНТУ, 2003. – С. 166–178.
  15. Григорьев А. В., Каспаров А. А. И/ИЛИ-дерево как средство абстрактного представления знаний // Научные труды Национального технического университета. Серия «Информатика, кибернетика и вычислительная техника». – Вып. 39. – Донецк: ДонНТУ, 2002. – С. 36–42.
  16. Григорьев А. В. Классификация типов продукций в интеллектуальных САПР // Научные труды Национального технического университета. Серия «Вычислительная техника и автоматизация». – Вып. 88. – Донецк: ДонНТУ, 2005. – С. 99–105.
  17. Григорьев А. В. Упорядочивание обликов в семиотической модели САПР // Научно-теоретический журнал «Искусственный интеллект». – 2005. – № 4. – Донецк: ИПИИ МОН и НАН Украины «Наука и образование». – С. 465–477.
  18. Григорьев А. В. Специфика выполнения теоретико-множественных операций над контекстно-свободными грамматиками в условиях различных форм дополнительных семантических правил в семиотической модели интеллектуальных САПР // Научные труды ДонНТУ. Серия «Проблемы моделирования и автоматизации проектирования динамических систем» (МАП-2006). – Вып. 5 (116). – Донецк: ДонНТУ, 2006. – С. 91–104.
  19. Григорьев А. В. Теоретико-множественные операции над грамматиками как механизм работы со знаниями в интеллектуальных САПР // Вестник Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля. – 2002. – № 2(48). – С. 186–194.
  20. Григорьев А. В. Алгоритм выполнения теоретико-множественных операций над грамматиками в среде специализированной оболочки для создания интеллектуальных САПР // Научные труды Национального технического университета. Серия «Проблемы моделирования и автоматизации проектирования динамических систем» (МАП-2002). – Вып. 52. – Донецк: ДонНТУ, 2002. – С. 83–93.
  21. Григорьев А. В. Изобретение как метод автоматизации процесса обучения методикам проектирования в семиотической модели САПР // Информатика и кибернетика. – Донецк: ДонНТУ, 2015. – № 1. – С. 51–66.
  22. Григорьев А. В., Морозова О. В. Анализ существующих способов создания интерфейса «языки формальных спецификаций — проблемно-ориентированные языки». В кн.: Серия «Информатика, кибернетика и вычислительная техника» (ІКОТ-2011). – Вып. 14(185). – Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2011. – С. 270–275.
  23. Григорьев А. В. Ограничение когнитивной сложности моделей. В кн.: Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сборник научных трудов. – Донецк: ДонГТУ, 2000. – Вып. 10. – С. 49–58.