Реферат: Проблема автоматизации проектирования в теории систем

Теперь относительно проблем диалога. Сегодня все согласны с тем, что система автоматизированного проектирования - некоторая специальная диалоговая система, что диалог человек-ЭВМ должен занимать центральное место в процессе проектирования. Но, к сожалению, многие считают, что организация диалога не содержит научной проблематики и сводится прежде всего к решению чисто технических вопросов создания специальных терминальных устройств и хорошего математического обеспечения - пакетов программ для решения инженерных задач. Это - глубокая ошибка. И если она будет устранена своевременно, то создание систем автоматизированного проектирования может привести к разочарованию и неуспеху.

Необходимо создать специальную систему правил и алгоритмов, которые составят основу новой технологии автоматизированного проектирования сложных объектов. Без создания новой технологии системы автоматизированного проектирования, подобно автоматизированным рабочим местам, будут полезным инструментом, который усовершенствует процесс проектирования, но вряд ли внесет в него те изменения, которые его качественно улучшат.

Необходимо сделать несколько замечаний о "теории" неформальных процедур и ее применимости к проектированию сложных технических конструкций. Их создание, подобных производственному комплексу, самолету, электронной машине, - это прежде всего творческий акт, и он не может быть никогда до конца формализован. Этот факт мы будем считать аксиомой и из нее будем исходить. Следует заметить, что целый ряд специалистов полагают, что акт творчества в проектировании в значительной степени может быть заменен специально организованной системой обработки статистического материала. Статистическая обработка параметров существующих конструкций очень важна, и ее ни в коем случае не следует недооценивать. Но ее недостаточно, использование только одного статистического материала позволяет создать конструкцию, лишь имеющую аналоги в отдельных технических решениях, т.е. подобную уже существующим. Действительно оригинальные конструкции, требующие качественно новых технических решений, конструкции завтрашнего дня всегда требуют нетрафаретного мышления, смелости и таланта. Получать их на основе статистики невозможно. Но приняв в качестве постулата невозможность полной формализации, надо сделать и следующий шаг - понять место и значение формальных методов, т.е. методов, использующих математическое описание решаемых задач, понять, чем и как они могут быть полезны конструктору, как они должны быть объединены с неформальными процедурами.

При проектировании сложных конструкций важнейшим является принцип разделения. Этот принцип - принцип декомпозиции - лежит, по существу, в основе всех технологий проектирования. И это легко понять, так как конструктор, как бы талантлив он ни был, может оперировать только с относительно небольшим объемом информации. Это разделение – декомпозиция - должно быть приспособлено и к сборке - синтезу.

Это можно пояснить на примере самолета. На вершине рассматриваемой иерархии находится главный конструктор машины, и перед ним стоит проблема такого выбора параметров, который бы обеспечил решение задач, поставленных заказчиком. Если речь идет о пассажирском самолете, то заказчик-Министерство гражданской авиации (ГВФ). Он хочет, например, иметь самолет для грунтовых аэродромов, который был бы лучше тех, которые он сегодня эксплуатирует, - ЯК-40, АН-24 и т.д. Если речь идет об истребителе, то заказчик хочет иметь самолет, который был бы лучше существующих истребителей. Задача так и должна ставиться - это естественная постановка на естественном языке. Сформировать же некий функционал F (x), зависящих от всех параметров самолета х, максимизация которого гарантировала бы решение задачи, никакой математик или конструктор не в состоянии. Более того, в реальности функционал зависит не только от конструктивных параметров самолета, но и от большого количества неопределенных факторов уÎY, характеризующих среду, в которой самолет будет функционировать. Таким образом F=F (x,y).

Тем не менее, для решения этой задачи мы можем использовать идеи имитации. Рассмотрим оба типа самолетов, о которых шла речь; сначала обсудим ситуацию с истребителем. Предположим, что мы создали систему, имитирующую бой двух истребителей. Закладывая в ЭВМ параметры проектируемого и какого-либо из существующих самолетов-истребителей, мы Разыгрываем серию боев нашего будущего самолета с машиной, с которой мы собираемся его сравнить. В результате набираем необходимую статистику. Она нам и покажет, какой из самолетов "лучше". Речь идет о завоевании господства в воздухе. И если оказалось, что большее количество боев выиграл проектируемый самолет, то это и будет означать, что он лучше существующего. С самолетом для гражданского воздушного флота дело будет обстоять несколько сложнее: там нет никакой явной характеристики "качества" самолета. Но проведя серию имитационных экспериментов, мы дадим возможность эксперту, если ситуация отвечает гипотезе компетентности, выбрать более предпочтительный вариант.

Значит, имитационная система в принципе позволяет сравнивать варианты и отбирать наилучший. А это и означает возможность поиска максимума функционала без знания его явного выражения. Однако это лишь "принципиальная" возможность использования имитационной системы как инструмента оптимизации. Имитационная система-это, в принципе, машинный аналог испытательного полигона. Имитационный эксперимент на порядок дешевле летного или любого натурального эксперимента. Но всего лишь на порядок: использовать имитационную систему, так же как и систему летных испытаний, для коренного совершенствования конструкции невозможна. имитационная система-это прежде всего инструмент проверки, может быть, очень незначительного улучшения. Создание имитационной системы - еще не решение проблемы.

Значит, для действительно эффективного использования имитационной системы и всей системы автоматизированного проектирования необходимо учитывать тот факт, что и главный конструктор обладает определенными и вполне ограниченными психофизиологическими возможностями обработки информации. Следовательно, необходима декомпозиция проблемы. последнее означает, что требуется система процедур, позволяющая конструктору, и прежде всего главному конструктору, оперируя с ограниченной информацией, вести направленный поиск оптимальных параметров конструкций.

Некоторые варианты схемы проектирования

а) Вспомогательные функционалы, паретовский анализ. Обсуждение процедур автоматизированного проектирования начнем с высшего уровня-уровня главного конструктора. Как уже было сказано, конструктор может мыслить относительно небольшим числом параметров И эти параметры, как правило, являются агрегатами, т.е. некоторыми функциями конструктивных параметров самолета причем <<N. В реальных условиях nникогда не превосходит десятка, N-это многие тысячи.

Как следует из опыта организации и использования неформальных процедур, агрегированные характеристики, которыми мыслит эксперт, всегда достаточно индивидуализированы. Но это не значит, что системы автоматизированного проектирования должны быть строго индивидуальны. Отдельные блоки системы, общая схема операционной системы САПР (системы автоматизированного проектирования), структура банков данных, основная часть математического обеспечения должны быть стандартизированы. Но не может не приниматься во внимание тот факт, что главный конструктор машины по-своему думает о ней, имеет собственные оценки и критерии, отличные от тех, которые имел бы другой главный конструктор.

Не следует, конечно, и переоценивать роль этого индивидуального элемента. Существует целый ряд характеристик конструкции (самолета, в частности), которые являются общепринятыми. Например, для самолета максимальная скорость, маневренность, потолок и т.д. Но, кроме того, в зависимости от характера проектируемого самолета и особенностей мышления конструктора могут возникнуть и специфические параметры. Например, если речь идет о пассажирском лайнере или транспортном самолете, то может возникнуть потребность в расчете прочностных или экономических характеристик. Перестройка математического обеспечения в этом случае не будет носить принципиального характера, поскольку эти характеристики практически всегда вычисляются в одном из блоков имитационной системы.

Очень важно еще, чтобы расчет агрегированных характеристик был достаточно простым, с тем чтобы он мог быть проведен с помощью математического обеспечения, которое содержится в отдельных блоках системы. Примером таких расчетов является расчет тактико-технических характеристик. Итак, первый этап декомпозиции состоит в назначении некоторого набора функционалов, которые, с точки зрения главного конструктора, достаточно полно характеризуют конструкцию, с тем чтобы среди возможных вариантов отобрать те, которые будут подвергнуты дальнейшему анализу. назначение этих функционалов - акт неформальный, но на их основе развивается определенный формализм. Следующий этап-это выделение существенных переменных. Последующий этап-организация и использование процедур оптимизации, составляющих основу для построения паретовского множества. Дальнейшие процедуры паретовского анализа - выбор параметров х, реализующих компромисс:

Представим себе общую схему процедур проектирования на уровне главного конструктора.

Задаем функционалы (акт существенно неформальный).

Формируем функционал (это-последовательность строгих процедур).

Строим функцию , для чего в пространстве строим сетку с узлами и для каждого = решаем задачу --max.

Решаем задачу и находим "оптимальное значение" .

По заданному определяем параметры конструкции и переходим к следующему этапу проектирования.

б). Случай, когда существует доминирующий функционал.

До сих пор мы ориентировались на изучение того случая, когда нет формализованного критерия, когда оценка качества проекта - это субъективно представление эксперта. Была рассмотрена также ситуация, в которой можно составить систему формальных процедур, позволяющих вычислить функционал. Но вычисление этого критерия было столь трудоемким, что его нельзя было использовать непосредственно для определения оптимальной системы параметров конструкции.

Весьма распространенным свойством объекта проектирования является существование некоторого доминирующего функционала, и весь анализ конструкции должен быть привязан к изучению вариантов в окрестности его оптимума.

Предположим, что проект характеризуется показателями а конструктор стремится выбирать параметры конструкции - вектор х - так, чтобы обеспечить выполнение условий . Обозначим через решение задачи Пусть новое ограничение состоит в том, что на выбор х наложено условие вида где 0<k<<1. В качестве функционала выступает обычно стоимость проекта и она не должна превосходить величины его наименьшей возможной стоимости на 100 k%. Определив минимальную величину и систему параметров - вектор , который реализует этот "оптимальный" проект,--мы вычислим в точке остальные характеристики: Они должны быть предъявлены эксперту, который будет заведомо неудовлетворен значениями найденных показателей. Значит самый дешевый проект должен быть забракован. Он не будет удовлетворять заказчика по другим показателям. Но от предельной стоимости мы далеко отступить не сможем, нас лимитируют выделенные деньги. Поэтому в окрестности точки надо тем или иным образом построить сетку точек, которым соответствуют близкие значения функционала . где в зависимости от ситуации числа берутся равными 0,01; 0,02; … Затем вычисляются значения показателей которые предъявляются эксперту, после чего из множества точек выделяется некоторое подмножество вариантов для последующего анализа, а остальные варианты исключаются из рассмотрения.

в) Еще один пример декомпозиции.

При реализации процедуры, описанной в предыдущем пункте, мы неизбежно встретим одну трудность, типичную для любого проекта,--размерность задачи. Для этой цели ввели "существенные" функционалы и "существенные" переменные, которые позволили от задач, размерность которых была порядка многих тысяч, перейти к задачам размерности десятка. пояснить сказанное можно примером проектирования системы обустройства нефтеносного региона.

Предположим, что речь идет о проекте обустройства системы нефтяных месторождений А, Б, В, Г, Д. какие задачи должен решать проектировщик генеральной схемы? Прежде всего у него есть определенная цель - обеспечить выполнение плана поступления нефти в центральный нефтепровод Этот план задан данному региону исходя из общих потребностей страны в нефти в виде некоторой функции где -момент начала добычи нефти, Т-конец планового периода. Задача проектировщика состоит в том, чтобы определить плановые задания производства отдельным месторождениям , создать проект сети нефтепроводов, соединяющих месторождения с центральным нефтепроводом, определить очередность строительства, наметить пункты сбора и первичной обработки нефти, спроектировать систему закачки воды для поддержания пластового давления, спроектировать систему электропитания и т.д. в результате должна быть выдана документация на все необходимое оборудование, вся его спецификация, включающая тысячи наименований. Все это множество величин должно быть выбрано так, чтобы не только обеспечить выполнение условия , но и достичь минимума стоимости, т.е. минимума функционала , и, кроме того, минимизировать значения многих других показателей, которые характеризуют качество проекта.

Разумеется, составление проекта, выбор параметров потребуют определенной иерархии, проектирования "по этажам". Верхним этажом, очевидно, должна быть генеральная схема, в которой каждое из месторождений выступает как отдельный объект. Но такое выделение верхнего уровня имеет смысл лишь тогда, когда каждое из месторождений описывается относительно небольшим количеством параметров. Но как это сделать, если количество скважин на более или менее крупном месторождении исчисляется тысячами? Очевидно, что без специальной формы агрегирования, объединения величин здесь не обойтись.

Способ агрегирования подсказывает сама особенность задачи. поскольку количество скважин очень велико, то вместо рассмотрения отдельных скважин как самостоятельных объектов будем рассматривать их как распределения или, что то же самое, считать число скважин на том или ином месторождении непрерывной и дифференцируемой функцией времени. Тогда изменение числа скважин будет описываться системой дифференциальных уравнений вида