Системы, основанные на знаниях, в проектировании и технологии электронно- вычислительных средств
Автор: Пользователь скрыл имя, 16 Августа 2013 в 23:14, реферат
Краткое описание
В настоящее время трудно представить проектирование таким, каким оно
было несколько десятков лет назад, поскольку значительно возросла сложность
проектируемой техники. Сочетание "автоматизированное проектирование" или
"CAD-система" уже прочно вошло в терминологию не только предприятий
электронной промышленности, но и на всех конструкторских и
технологических предприятиях. Технологии CAD охватывают основные
направления функционирования и развития современного предприятия.
Оглавление
Введение ................................................................................................................... 3
Глава 1 Назначение экспертных подсистем в САПР ............................................. 5
Глава 2 Современное состояние САПР в проектировании электронных средств 7
Глава 3 Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования ....... 9
Заключение ............................................................................................................. 14
Список литературы ................................................................................................
Файлы: 1 файл
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий,
механики и оптики"
РЕФЕРАТ
по теме "Системы, основанные на знаниях, в
проектировании и технологии электронно-
вычислительных средств"
Выполнил: М.В.Лапаев
Проверил: Д.И. Муромцев, доцент, к.т.н.
Санкт-Петербург
2013 г.
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ...................................................................................................................3
Глава 1 Назначение экспертных подсистем в САПР .............................................5
Глава 2 Современное состояние САПР в проектировании электронных средств7
Глава 3 Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования.......9
Заключение.............................................................................................................14
Список литературы ................................................................................................15
3
ВВЕДЕНИЕ
В век информационных технологий, особенно в условиях жесткой
конкуренции на рынке электроники и высоких темпах развития технологии
необходимо обеспечить высокое качество проектируемых цифровых и
аналоговых устройств большой функциональной сложности при минимальных
сроках и затратах на проектирование.
В настоящее время трудно представить проектирование таким, каким оно
было несколько десятков лет назад, поскольку значительно возросла сложность
проектируемой техники. Сочетание "автоматизированное проектирование" или
"CAD-система" уже прочно вошло в терминологию не только предприятий
электронной промышленности,
но
и на
всех конструкторских и
технологических предприятиях. Технологии CAD охватывают основные
направления функционирования и развития современного предприятия. От
виртуального проектирования системы автоматизированного проектирования
выросли до уровня высоких технологий, с помощью которых стало возможным
не только моделирование, но и разработка и выпуск конструкторской
документации любого типа, технологическая подготовка производства,
организация
интегрированной
среды
управления
инженерным
документооборотом на предприятии [1, 2, 3].
Сегодня разработка уже невозможна без применения систем
автоматизированного проектирования. Системы автоматизации используются
на всех этапах жизненного цикла изделия, исследования потребности на ранке
от анализа потребностей в разработке до утилизации. САПР непрерывно
развиваются, интерфейс становится более интуитивно-понятным, процесс
проектирования становится удобнее и проще. Но задачи, решаемые
проектировщиками, постоянно усложняются, их количество увеличивается.
Этим
обусловлена
потребность
в
постоянном
развитии систем,
совершенствовании уже имеющихся методов, а также разработке и внедрении
4
новых методов и средств, которые смогли бы значительно повысить качество
проектирования и уменьшить время, затрачиваемое на разработку.
Большинство современных САПР основаны на опыте формализованных
этапов проектирования, методов и моделей, описывающих проектные
процедуры. Схемы реализации всех этих методов подробно разработаны на
традиционных математических методах, некоторые из которых исследовал
Курейчик В.В. [4]. Но не все этапы могут быть формализованы. Существуют
задачи, которые традиционными методами описать проблематично или
невозможно. Большой класс неформализованных и трудноформализуемых
задач не
позволяет вести дальнейшее
усовершенствование
систем
автоматизированного проектирования на базе формальных математических
методов.
Дальнейшее
совершенствование
и
оптимизация
процесса
проектирования, а, соответственно, и повышение качества проектируемых
устройств,
возможны только путём
использования
в
технологии
проектирования экспертных знаний. Только так можно повысить качество
применяемого конструкторского решения, не увеличивая при этом время,
затрачиваемое на разработку. Таким образом, проблема интеллектуализации
процесса проектирования является в настоящее время актуальной, а
применение экспертных систем в проектировании электронных устройств -
перспективным направлением.
Несмотря на многочисленные исследования [5, 6] в области систем,
основанных на знаниях, и их применению в современных САПР, направление
пока ещё остаётся далеко не полностью изученным, давая огромный простор
для исследовательской деятельности.
5
ГЛАВА 1 НАЗНАЧЕНИЕ ЭКСПЕРТНЫХ ПОДСИСТЕМ В САПР
Экспертная система, в первую очередь, является программной системой
или подсистемой, продуктом, основным назначением которого является
автоматизация деятельности человека. Но, в отличие от программ, в основе
которых лежит
алгоритмическая
обработка
данных
на
основании
математической модели, экспертная система является не ассистентом,
выполняющим порученную работу, а партнером и экспертом, консультантом,
действующим наравне с человеком. При этом экспертная система не заменяет
эксперта, а расширяет его возможности. ЭС позволяют пользователям, не
являющимся специалистами в предметной области, пользоваться знаниями
более квалифицированных профессионалов. При решении одной и той же
задачи многократно, в отличие от человека, подверженного большому
количеству посторонних факторов, экспертная система приходит к одному и
тому же результату, что тоже вносит стабильность и некоторую однозначность
в процесс разработки. При всех этих достоинствах использование экспертной
системы обходится значительно дешевле, чем труд квалифицированного
человека.
Таким
образом,
основное
назначение
экспертной системы -
консультирование разработчика по узкоспециальным вопросам при принятии
решений. Экспертные системы призваны не заменить разработчика, а
расширить его профессиональные возможности.
Проектирование состоит в подготовке спецификаций на создание
"объектов" с заранее определенными свойствами. Под спецификацией
понимается весь набор необходимых документов чертеж, пояснительная
записка и т.д. Основные проблемы здесь – получение четкого структурного
описания знаний об объекте и проблема "следа". Для организации
эффективного проектирования и, в еще большей степени, перепроектирования
необходимо формировать не только сами проектные решения, но и мотивы их
принятия. В итоге, можно заключить, что, в задачах проектирования тесно
6
связываются два основных процесса, выполняемых в рамках соответствующей
ЭС: процесс вывода решения и процесс объяснения [7].
Процесс объяснения необходим, поскольку, как уже упоминалось выше,
экспертная система является не заменой разработчика, а подспорьем,
помощником разработчика. Соответственно, на получении адекватного
решения задачи работа экспертной системы не заканчивается, как и не
заканчивается работа проектировщика после. Оптимальность и адекватность
выбранных решений ещё требуется обосновать, и в обосновании, возможно, и
состоит наиболее важная задача экспертной системы, поскольку человек, не
являющийся профессионалом в предметной области, вряд ли сможет объяснить
найденное решение.
7
ГЛАВА 2 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ САПР В ПРОЕКТИРОВАНИИ
ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
На сегодняшний момент наиболее применяемой технологий является
технология CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support). Технологии
повсеместной компьютеризации сфер производства, целью которых является
унификация и стандартизация спецификаций промышленных изделий на всех
этапах их жизненного цикла, называют CALS-технологиями. Основные
спецификации представлены технологической, проектной, маркетинговой,
производственной, эксплуатационной документациями.
В CALS-системах предусматриваются хранение, передача и обработка
информации в компьютерных системах, оперативный доступ к нужным данным
в любом месте в любое время.
В CALS-системах предполагается хранение, передача и обработка
информации в компьютерных средах, немедленный доступ к данным в нужном
месте и в нужное время. Терминология в области CALS все еще окончательно
не
установилась.
Первоначальной
аббревиатурой "CALS"
является
расшифровка
"Computer
Aided
Logistics
Systems",
что
значит
"автоматизированная логистическая поддержка". Но под логистикой обычно
понимается дисциплина, посвященная вопросам управления и снабжения
запасами, а функционал CALS намного шире и связан со всеми этапами
жизненного
цикла
изделия.
По
этой
причине
применяют
более
соответствующую предмету расшифровку аббревиатуры "CALS" — Continuous
Acquisition and Lifecycle Support. В русском языке понятию CALS принято
приписывать информационную поддержку изделий или другое сокращение
"КСПИ" - компьютерное Сопровождение и Поддержка Изделий.
Одна и та же конструкторская документация может быть применена
многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация
— адаптирована к разным производственным условиям, что позволяет
8
существенно сократить и удешевить общий цикл проектирования и
производства. Кроме того, упрощается эксплуатация систем.
Одна и та же документация применима многократно в разных проектах, а
одна и та же технологическая документация может быть адаптирована к
разным производственным условиям. Это позволяет не только сократить, но и
удешевить общий цикл проектирования и производства. Помимо этого,
упрощается эксплуатация систем.
На сегодняшний момент CALS-технологии рассматримают как бизнес с
высокими темпами роста и ключевой момент в обеспечении успеза
предприятия не только на внутреннем, но на внешнем рынке. Применение
CALS-технологий и логистики означает переход к новому образу и
методологии вежения бизнеса в условиях быстро развивающихся рыночных
отношений.
Многие предприятия используют информацию в электронном виде,
обмениваются ей с заказчиками, поставщиками, партнерами, которые, как
правило, географически рассеяны. Обмен такого рода информацией происходит
на всех этапах жизненного цикла изделия, в том числе при проектировании,
производстве и эксплуатации.
Однако,
CALS-технологии,
обеспечивая
работу
в
едином
информационном
пространстве,
по-прежнему
требуют
высококвалифицированных
кадров.
Таким
образом,
полная
интеллектуализация производства в области электронных средств до сих пор не
достигнута.
9
ГЛАВА 3 ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Возможность применения ЭВМ для решения задач проектирования и их
эффективность тесно связаны со степенью математической формализации
задач. Для тех объектов, для которых найдены адекватные математические
модели, достигнут наибольший успех, найдены эффективные вычислительные
методы, подтверждена их разрешимость, определены области, в которых они
применимы. В случае систем автоматизированного проектирования речь,
прежде всего, идёт о задачах анализа и параметрической оптимизации. Для
решения этого типа задач достаточно использование математического аппарата.
В то же время для большой доли задач проектирования адекватные
модели не найдены. К таким задачам, в основном, относятся задачи
структурного синтеза, которые решаются вручную, эвристически, с
применением опыта разработчика и его интуиции. Таким образом, качество
полученных решений зависит от профессиональных и творческих способностей
разработчика.
К
таким
задачам,
которые
принято
называть
плохоформализуемыми, относятся:
1. задачи, не имеющие выраженную математическую постановку (задачи,
не имеющие адекватную математическую модель);
2. задачи, которые невозможно решить алгоритмическими методами или
решение неэффективно.
Наряду с продолжением поиска формальных подходов к решению
обозначенных задач перспективным является использование методов и средств
искусственного интеллекта.
Применительно к
автоматизированному
проектированию искусственный интеллект - это дисциплина, изучающая
теорию и методы решения плохоформализуемых задач путём оперирования
неформальными знаниями эксперта-профессионала.
10
Плохоформализуемые задачи - обычно задачи в нечисловой форме, без
отсутствия чёткой аналитической зависимости. Как правило, такие задачи
обладают следующими особенностями:
1. неоднозначность, противоречивость или неполнота исходных данных;
2. неоднозначность, противоречивость или неполнота сведений о
решаемой задаче;
3. большое разнообразие возможных решений.
Задачи, обладающие перечисленными выше особенностями, довольно
часто встречаются при проектировании электронных средств, если не сказать,
что практически каждое разрабатываемое устройство на этапе проектирования
вызывает ряд противоречий. В качестве хорошего примера таких противоречий
можно привести стремление увеличить производительность устройства,
которое, с одной стороны, несомненно, увеличивает технико-экономические
показатели устройства, с другой стороны, при увеличении производительности,
как правило, увеличивается перегрев элементной базы, а дополнительная
система охлаждения непременно приведёт к увеличению массы и габаритов.
Задача инженера – выйти из противоречивой ситуации путём нахождения
консенсуса, наиболее оптимального решения.
Работы в области экспертных систем и искусственного интеллекта
ведутся сразу по нескольким тесно взаимодействующим направлениям:
автоматическое доказательство теорем, распознавание образов, обработка
естественного языка, автоматическое программирование, планирование
поведения роботов, экспертные системы, призванные консультировать и др.
Теоретические и практические результаты на сегодняшний момент получены в
каждом из этих направлений и могут найти применение в системах
автоматизированного проектирования.
По уровню предлагаемой интеллектуализации САПР можно условно
выделить три основных направления. Первое направление подразумевает
использование средств искусственного интеллекта лишь в качестве блоков
11
отдельных подсистем CAD-системы, где они должны решать подзадачи,
которые формальными методами решить невозможно или решение будет
неэффективным. Второе направление предполагает наличие в САПР подсистем,
полностью работающих методами искусственного интеллекта. Третье
направление
предусматривает
построение
системы полностью
на
организационных принципах экспертных систем с использованием и
формальных, и эвристических методов проектирования [10].
Как и любая другая экспертная система, интеллектуальная CAD-система
в своём составе имеет базу знаний, в которой хранятся все необходимые для
работы знания (данные) о предметной области, для которой предназначена
САПР. В базе собран как накопленный проектировщиками опыт, так и
экспертная информация о возможных способах конструирования, которая
опирается на методы моделирования рассуждений, свойственных специалистам
данной области.
Общая структура интеллектуальной САПР может быть такой, как она
изображена на рис.1 [8]. На вход системе поступает задание от
проектировщика, которое в интеллектуальной системе формулируется на
ограниченном профессиональном естественном языке. С помощью языкового
интерфейса и прочих средств диалога задание распознается системой,
производится процедура уточнения и перевод во внутреннее представление.
После ввода и распознавания задачи делается попытка формализовать задание
и свести процесс поиска решения к стандартным процедурам классической
САПР. В случае безуспешной попытки задание передаётся логическим блоком
на вход экспертной подсистемы, направленной на решение задачи в конкретной
предметной области. Поиск решения происходит путём взаимодействия с базой
знаний и САПР.
12
Рисунок 1. Типовая схема интеллектуальной САПР
Таким образом, в интеллектуальной системе автоматизированного
проектирования интегрируются различные метода, задачи, уровни и этапы
проектирования, что позволяет обеспечить сквозное автоматизированное
проектирование с этапа подготовки технического задания и технического
предложения до создания рабочего и технического проекта, при этом
автоматизируются не только формальные задачи, но и творческие,
эвристические, которые в традиционных САПР остаются за разработчиком. В
ходе работы интеллектуальной САПР решаются все основные задачи [9]
проектирования:
1. составляется обоснованное техническое задание — это относится к
внешнему проектированию;
2. производится
анализ
технического
задания
—
внутреннее
проектирование;
3. производится
концептуальный анализ:
выбор конструктивно-
компоновочной схема, анализ стоимость проекта;
4. производится структурный синтез и оптимизация;
13
5. проводится поисковое конструирование (или изобретательство);
6. проект планируется;
7. конструкции перепроектируются и дорабатываются;
8. благодаря планированию вычислительных задач и обучению
пользователей прикладным программам повышается качество и
эффективность анализа, проводится имитационное моделирование,
выбор численных методов расчета, контроль результатов;
9. проверяется соответствие ЕСКД и отраслевым стандартам;
10.подготавливается рабочая документация.
Каждая из обозначенных задач требует сложного информационного и
программного обеспечения. По этой причине интеллектуальные САПР -
сложные и дорогостоящие системы, но без интеллектуализации CAD-систем
сложно разрабатывать современные, постоянно усложняющиеся устройства и
изделия.
14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким
образом,
информационные
технологии проектирования
электронно-вычислительных средств на сегодняшний день находятся на
высоком уровне, однако, несмотря на высокую степень автоматизации
производства не пропала потребность в высококвалифицированных кадрах.
Обобщая вышеизложенное, можно заключить, что применение в
проектировании систем, основанных на знаниях (так называемое Knowledge-
based engineering), и интернет-технологий являются на сегодняшний момент
наиболее
перспективными
направлениями
в
развитии
систем
автоматизированного проектирования, интеграция которых даст возможность
создавать качественно новые САПР.
На сегодняшний момент сложно представить дальнейшее развитие сферы
проектирования электронных средств без внедрения новых принципов
проектирования,
которые
обеспечивают
интеллектуальные
системы
автоматизированного проектирования.
CALS-технологии, несмотря на перспективность, требуют значительных
изменений в области интеллектуализации производства, что возможно только
посредством внедрения в современные CAD-системы экспертных систем,
поскольку только они смогут обеспечить переход в проектировании и
разработке электронных средств от формальных методов и трудоемких
расчетов к творческому процессу, подкрепленному знаниями разработчика и
базой знаний интеллектуальной САПР.
15
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования: учеб. для
вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана,
2009. — 430 с.
2. Малюх В. Н. Введение в современные САПР: Курс лекций. — М.: ДМК
Пресс, 2010. — 192 с.
3. Латышев П.Н. Каталог САПР. Программы и производители: Каталожное
издание. — М.: ИД СОЛОН-ПРЕСС, 2006, 2008, 2011.
4. Курейчик В.В. Исследование и разработка генетических алгоритмов для
конструкторского синтеза элементов СБИС: дис. канд. тех. наук,
Таганрог, 1995.
5. Гречин И.В. Разработка экспертной системы на основе эволюционных
методов дис. канд.тех.наук, Таганрог, 2000.
6. Барков
И.А.
Моделирование
конструкторской
семантики
в
интеллектуальных САПР: дис. док. тех. наук, Ижевск, 2007.
7. Д.И.Муромцев. Введение в технологию экспертных систем. – СПб:
СПбГУ ИТМО, 2005. – 93 с.
8. А.В.Могилев, Н.И.Пак, Е.К.Хеннер, Информатика, Учебник для ВУЗов –
М.: Издательство Academa, 2012. – 848 с.
9. Конструкторско-технологическое
проектирование
электронной
аппаратуры: Учебник для
вузов
/ К.И.Билибин,
А.И.Власов,
Л.В.Журавлева - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. – 568 c.
10.Pandey V. Application of Artificial Intelligence Tools on Manufacturing //
IJREAS Journal, 2012. Vol.2, p.429-439.
Информация о работе Системы, основанные на знаниях, в проектировании и технологии электронно- вычислительных средств