Интеллектуальные системы проектирования

Информатика в техническом университете



Г.Б. Евгенев



            Интеллектуальные системы проектирования


Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Информатика и вычислительная техника»

2-е издание, дополненное




Москва 2012

УДК 658.512.011.56:681.31(075.8)
ББК 22.18
     Е14

Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. ИП Норенков;
д-р техн. наук, проф. В.М. Курейчик


    Евгенев Г. Б.
Е14 Интеллектуальные системы проектирования : учеб. пособие / Г. Б. Евгенев. - 2-е изд., доп. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. -410, [6] с. : ил. - (Информатика в техническом университете).
        ISBN 978-5-7038-3594-4
        Изложены теоретические основы создания интеллектуальных систем проектирования, включая онтологию инженерных знаний, функциональное моделирование в стандарте IDEF0, объектно-ориентированные анализ и проектирование в машиностроении с помощью языка UML, основы системологии и многоагентных систем. Описаны разработка методов объектов на основе баз знаний, методы создания интеллектуальных систем конструирования, проектирования и программирования технологических процессов. Издание дополнено главой, посвященной методам программирования технологических процессов механической обработки.
        Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, читаемых автором в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
        Для студентов и аспирантов, изучающих информационные технологии, а также для бакалавров, магистров, специалистов, интересующихся проблемами автоматизации конструирования и технологического проектирования. Будет полезно всем работающим в областях автоматизации управления, консалтинга и реинжениринга процессов производственных предприятий.

                                              УДК 658.512.011.56:681.31(075.8)
                                              ББК 22.18








ISBN 978-5-7038-3594-4

                                           © Евгенев Г.Б., 2009
                                           © Евгенев Г.Б., 2012, с изменениями
                                           © Оформление. Изд-во МГТУ
                      им. Н.Э. Баумана, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ




Предисловие .......................................................... 5
Список сокращений .................................................... 7
Введение ............................................................. 9
1. Теоретические основы интеллектуальных систем проектирования......  11
1.1. Этапы развития информационных технологий ....................... 11
1.2. Системная модель САПР. Цели и средства компьютеризации инженерной деятельности ........................................................ 15
1.3. Онтология инженерных знаний .................................... 23
1.4. Язык стандарта IDEF0 для функционального моделирования систем .. 31
1.5. Объектно-ориентированные анализ и проектирование в машиностроении . . 34
1.6. Унифицированный язык моделирования UML ......................... 43
1.7. Реляционные модели данных и язык UML............................ 59
1.8. Основы системологии............................................. 65
1.9. Многоагентные системы проектирования ........................... 70
Вопросы для самопроверки............................................. 78
2. Разработка методов объектов на основе баз знаний ................. 79
2.1. Технология экспертного программирования ........................ 79
2.2. Структурированные порождающие системы........................... 98
2.3. Геометрические знания.......................................... 102
2.4. Математические негеометрические знания ........................ 123
2.5. Интегрирование с использованием систем, основанных на знаниях.. 130
2.6. Хранение и отображение баз знаний.............................. 141
Вопросы для самопроверки............................................ 149
3. Методы создания интеллектуальных систем конструирования.......... 150
3.1. Структура системы инженерной подготовки производства .......... 150
3.2. Модели системы конструирования изделия класса «черный ящик» ... 152
3.3. Системный анализ проектных действий............................ 161
3.4. Классификация объектов инженерных знаний в машиностроении...... 168
3.5. Модульное проектирование ...................................... 197
3.6. Методы функционально-структурного анализа и синтеза принципиальных схем изделий ....................................................... 209
3.7. Методы поиска лучших решений при проектировании изделий ....... 220
Вопросы для самопроверки............................................ 237

3

Оглавление


4. Методы создания интеллектуальных систем проектирования технологических процессов .................................................... 238
4.1. Структура системы технологической подготовки производства ...... 238
4.2. Модели системы проектирования технологических процессов класса «черный ящик» ...................................................... 241
4.3. Структура классов объектов технологических процессов ........... 247
4.4. Методы проектирования структуры технологических процессов....... 256
4.5. Методы нормирования технологических процессов................... 278
Вопросы для самопроверки............................................. 333
5. Методы программирования технологических процессов механической обработки............................................................ 334
5.1. Процесс программирования обработки на станках с ЧПУ............. 334
5.2. Онтология программирования обработки на станках с ЧПУ........... 348
5.3. Программирование сверлильно-расточной обработки на станках с ЧПУ . . . 358
5.4. Программирование токарной обработки на станках с ЧПУ............ 377
5.5. Программирование фрезерной обработки на станках с ЧПУ........... 395
Вопросы для самопроверки............................................. 408
Литература .......................................................... 410

ПРЕДИСЛОВИЕ




   В условиях рыночной экономики конкурентная борьба за потребителей требует от предприятий постоянного обновления выпускаемой продукции, повышения ее качества, максимального удовлетворения пожеланий заказчиков, для чего необходимо сокращать сроки и стоимось инженерной подготовки производства, качественно совершенствовать разрабатываемые проекты.
   Эти проблемы может решить принципиально новая информационная технология компьютеризации инженерной деятельности (КИД). В XXI в. - веке информатики - персональным должен быть не только компьютер как техническое средство, но и программное обеспечение (ПО) каждого рабочего места инженера.
   Трудоемкость и стоимость проектирования, как и качество его результатов, определяются объемом и глубиной инженерных знаний, заложенных в компьютер. В существующих системах автоматизированного проектирования (САПР) в большинстве случаев инженерные знания остаются вне компьютера. В результате конструктор использует компьютер в примитивном режиме «электронного кульмана», а технолог - в режиме специализированного редактора. При этом, когда инженеру предлагают специализированные системы, знания, заложенные в них программистами с помощью алгоритмических языков, остаются недоступными для понимания и корректировки.
   Принципиально новая информационная технология КИД позводяет специалисту в той или иной прикладной области, не обладающему глубокими знаниями в информатике, самому без помощи программистов создавать для себя и своих коллег специализированные рабочие места, используя описанную в этой книге методологию и соответствующие инструментальные программные средства. В этом случае инженерная деятельность претерпевает качественные изменения: специалист вводит в компьютер данные технического задания (ТЗ) и наблюдает за процессом генерации проекта, принимая принципиальные творческие решения посредством выбора из вариантов, предлагаемых компьютером. Подобные системы с полным основанием можно отнести к принципиально новой категории полуавтоматических систем проектирования.
   Настоящая книга адресована не только разработчикам САПР, для которых есть соответствующие учебники [24], но и студентам, аспирантам, преподавателям и бакалаврам, магистрам и инженерам всех специальностей, которым необходимо компьютеризировать свою деятельность.

5

Предисловие


   Учебное пособие самодостаточно и не требует каких-либо специальных знаний в области информатики. Оно написано на основе курса лекций, читаемых автором в 1998-2012 гг. в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Цель курса лекций состояла в изучении и освоении системных методов и средств создания интегрированных интеллектуальных систем КИД. В задачи курса входит:
   •     изучение основ инженерной системологии и методологии компьютеризации инженерных знаний;
   •     освоение методов и средств разработки и использования концептуальных конструкторско-технологических моделей данных, параметризованных геометрических моделей машиностроительных изделий, конструкторских и технологических баз знаний, интегрированных интеллектуальных конструкторско-технологических систем автоматизации проектирования;
   •     изучение методов и средств программирования обработки деталей на станках с ЧПУ.
   В издании приведены фрагменты конструкторской и технологической баз знаний, так как эти материалы, по мнению автора, являются прототипами инженерных книг завтрашнего дня, которые будут доступны для чтения и понимания человеком, и в то же время могут быть автоматически преобразованы в программное средство для компьютера.
   Автор благодарит своих коллег по кафедре «Компьютерные системы автоматизации производства» МГТУ им. Н.Э. Баумана за понимание и поддержку идей, изложенных в книге. Особую признательность хочется выразить коллегам, создавшим и развивающим метаинструментальную систему СПРУТ, разработчикам прикладных систем SprutCAD и СПРУТ-ТП, без которых реализовать эти идеи невозможно, а также сотрудникам ЗАО «СПРУТ-Технология» А.Х. Хараджиеву, В.Х. Хараджиеву, А.В. Сергееву, А.Н. Пономареву, А.В. Грошеву, А.В. Реутову, В.Н. Глушкову и ООО «Центр СПРУТ-Т» Б.В. Кузьмину, Г.В. Серегину, А.А. Кокореву, А.Г. Стисесу, С.С. Крюкову и Н.С. Гришину.
   Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность своей жене Лидии Васильевне Родиной, без доброжелательной поддержки которой эта книга не увидела бы свет.
   Хочется верить, что учебное пособие поможет развитию оригинальных российских информационных технологий в промышленности и других секторах экономики. Автор с благодарностью воспримет замечания и пожелания по содержанию книги.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ




АДО  - активный динамический объект                   
АС   - автоматизированная система                     
АСУ  - автоматизированная система управления          
БД   - база данных                                    
ВБ   - виртуальное бюро                               
ЕСКД - единая система конструкторской документации    
ЕСТД - единая система технологической документации    
КБ   - конструкторское бюро                           
КИД  - компьютеризация инженерной деятельности        
М3   - модуль знаний                                  
МИЗ  - модуль инженерных знаний                       
МТП  - метамодель технологического процесса           
НИИ  - научно-исследовательский институт              
ООА  - объектно-ориентированный анализ                
ООП  - объектно-ориентированный подход                
ООПИ - объектно-ориентированное проектирование изделий
ПО   - программное обеспечение                        
САП  - система автоматизации программирования         
САПР - система автоматизированного проектирования     
СТО  - средства технологического оснащения            
СУБД - система управления базами данных               
СЧПУ - система ЧПУ                                    
ТВЧ  - ток высокой частоты                            
ТЗ   - техническое задание                            
ТО   - технический объект                             
ТПП  - технологическая подготовка производства        
УП   - управляющая программа                          
УЧПУ - устройство ЧПУ                                 
ЧПУ  - числовое программное управление                
ЭВМ  - электронная вычислительная машина              
ЯФМ  - язык функционального моделирования             
CAD  - Computer Aided Design                          
CALS - Continuous Acquisition and Life-cycle Support  
CAM  - Computer Aided Manufacturing                   

7

                 Список сокращений                    
САРР - Computer Aided Process Planning               
CASE - Computer Aided Software Engineering           
CIM  - Computer Integrated Manufacturing             
ISO  - International Organization for Standardization
HTML - Hypertext Markup Language                     
RAD  - Rapid Application Development                 
SGML - Structured Generalized Markup Language        
UML  - Unified Modeling Language                     
XML  - Extensible Markup Language                    

ВВЕДЕНИЕ




   Мы с вами, уважаемые читатели, свидетели и непосредственные участники перехода человечества от индустриального к постиндустриальному информационному обществу, в котором компьютерные технологии приведут к кардинальным переменам во всех сферах человеческой деятельности.
   В информационном обществе в полной мере будет реализован знаменитый тезис: «Знание - сила», сформулированный Ф. Бэконом еще в 1597 г. Персональный компьютер станет основой для компьютеризации инженерной деятельности (КИД), которая, так же как и инженерное образование, будет осуществляться на базе персональных специализированных, объектно-ориентированных интеллектуальных рабочих мест, интегрированных на техническом, программном, информационном, методическом и организационном уровнях в единую проектирующую среду.
   В XXI в. конкурентоспособность предприятий и физических лиц будет определяться объемом и качеством информационных ресурсов, которыми они обладают. С точки зрения возможности автоматизированной обработки информационные ресурсы могут быть двух видов: пассивными и активными. Носитель пассивных информационных ресурсов - книга или ее компьютерный простой, гипертекстовой или мультимедийный эквивалент. Доступ к такому ресурсу обеспечивается через человека, что существенно замедляет процесс обработки информации и принятия решения. Активные информационные ресурсы представляют собой формализованные и зафиксированные на машинных носителях профессиональные банки данных и знаний. Они доступны не только для автоматизированного хранения и поиска, но и для обработки с помощью компьютерных технологий.
   Активные информационные ресурсы превращают компьютер для инженера в активного партнера, который выполняет всю рутинную расчетную, поисковую и оформительскую работу и помогает принимать проектные решения, оставляя за инженером право на творчество.
   Есть основание полагать, что отношение объема активных информационных ресурсов к общему объему национальных информационных ресурсов станет одним из существенных экономических показателей каждой страны. Поэтому КИД необходимо направить не столько на использование готовых активных и пассивных информационных ресурсов, сколько на

9

Введение


создание новых активных ресурсов и перевод пассивных ресурсов в активную форму, внешнее представление которой должно быть удобно для восприятия инженером.
   Такой подход позволит аккумулировать инженерные знания и опыт в виде активных информационных ресурсов, избавив инженеров и студентов, решающих конструкторские и технологические задачи, от необходимости изучения алгоритмических языков, которые до последнего времени были единственным средством представления активных информационных ресурсов.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ




1.1. Этапы развития информационных технологий


   Основной причиной, обусловившей возникновение в XX в. потребности проведения работ по автоматизации проектирования, стала низкая производительность инженерного труда в сфере обработки информации по сравнению с производительностью труда рабочих в материальном производстве. Так, в технически развитых странах с 1900 по I960 г. производительность труда в производстве возросла в среднем на 1000 %, а в информационной сфере, к которой принадлежит проектирование, - на 20 %. В 1970-х годах эти показатели составили 80 и 4 % соответственно. Такое положение было связано с инстру-ментооснащенностью соответствующих работников. В стоимостном отношении до появления персональных компьютеров инструментооснащенность служащих, обрабатывающих информацию, была более чем в 10 раз меньше инструменто-оснащенности рабочих, занятых производством материальных объектов [27].
   На первых порах эту проблему решали экстенсивным путем за счет перевода трудовых ресурсов из материального производства в сферу обработки информации. Однако это снизило общие темпы роста производительности труда в экономике промышленно развитых стран. В 1990-х годах производительность труда в информационной сфере и, в частности, в области проектирования становится одним из ключевых факторов повышения общественного производства в промышленно развитых странах.
   Научно-техническая революция XX в. изменила в геометрической прогрессии следующие показатели развития техники [27]:
   •     число различных классов технических систем удваивалось в среднем через каждые 10 лет;
   •    сложность изделий по числу деталей и узлов возрастала в 2 раза через каждые 15 лет;
   •     объем научно-технической информации удваивался через каждые восемь лет;
   •    время создания новых изделий уменьшалось в 2 раза через каждые 25 лет, одновременно сокращалось время морального старения изделий.



11

      1. Теоретические основы интеллектуальных систем проектирования

   В результате совокупного воздействия перечисленных показателей объем конструирования должен был возрастать примерно в10 раз через каждые 10 лет. При сохранении ручной технологии конструирования количество конструкторов увеличивалось бы в такой же пропорции. В связи с этим начали проводить работы по автоматизации проектирования.
   Термин «системы автоматизированного проектирования (САПР)» (в английской нотации применительно к автоматизированному конструированию -CAD) возник в конце 1950-х годов, когда Д.Т. Росс работал над одноименным проектом в Массачусетском технологическом институте (MIT). Первые коммерческие CAD-системы появились на рынке 10 лет спустя.
   За последние годы CAD-системы как системы геометрического моделирования значительно усовершенствовали: появились средства трехмерного (3D) поверхностного и твердотельного моделирования, параметрического конструирования, был улучшен интерфейс. Несмотря на все усовершенствования, касающиеся в основном геометрических функций, CAD-системы слабо помогают конструктору с точки зрения всего процесса конструирования. Они обеспечивают лишь описание геометрических форм изделий и рутинные операции (образмеривание, генерацию спецификаций и т. п.). Такое положение и чисто геометрический интерфейс сохраняют методологию конструкторской работы такой же, какой она была при использовании чертежной доски. Конструкторы по-прежнему применяют геометрические элементы низкого уровня (точки, прямые, дуги, поверхности и т. п.) при описании своих изделий. Сейчас некоторые CAD-системы поддерживают конструирование с помощью конструкторско-технологических элементов (features), которые в связи с их чисто геометрическим характером следует отнести к макрогеометрическим элементам.
   Значительное развитие также получили системы автоматизации проектирования технологических процессов (CAPP) и программирования изготовления деталей на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) (CAM). Однако усовершенствование этих систем, так же как и усовершенствование CAD-систем, касалось внутренних проблем. CAPP-системы могут генерировать технологические процессы автоматически, но только при условии специального описания изделия с помощью конструкторско-технологических элементов. Это же касается и CAM-систем. Но в этом случае может использоваться геометрическая база данных (БД) CAD-системы, при этом пользователь должен ввести все результаты CAPP-системы.
   Помимо проектирования инженерная деятельность связана с инженерным бизнесом и менеджментом, куда, в частности, входят автоматизированные системы управления (АСУ) производством, которые часто развиваются без какой-либо интеграции с САПР.
   До последнего времени концепция автоматизации труда конструктора базировалась на принципах геометрического моделирования и компьютерной графики, что позволяло охватывать стадии технического и рабочего проек

12