Лекция Информационно-справочные системы, асу и сапр

обьема с целью получения требуемых справок обусловило широкое применение ЭВМ и создание соответ-ствуюшего программного обеспечения. Это же программное обеспечение должно решать задачу ввода данных как для первоначального формирования массивов, так и для внесения изменений и дополнений о процессе работы системы. Основными характеристи­ками информационно-справочных систем являются среднее время ожидания ответа и производительность / количество запросов, обработанных в единицу времени).

АСУ и САПР. Увеличение объема промышленного производства, появление сложных технологий поста­вили трудные задачи управления современным предприятием. Опыта и квалификации руководителей уже не достаточно, чтобы эффективно распоряжаться материальными и трудовыми ресурсами без использования ЭВМ. Создаются АСУ для совершенствования управления отраслями народного хозяйства, предприя­тиями, технологическими процессами и другими объектами на основе применения математических методов и средств вычислительной техники.

Перечислим некоторые задачи, решаемые в АСУ на примере АСУ предприятием.

Важное место в любой автоматизированной системе управления занимают вопросы сбора, хранения, обработки информацион­ных массивов выдачи всей необходимой информации для последующего решения задач управления. Все это относится к подсистеме информационного обеспечения АСУ и напоминает информационно-справочную систе­му. В задачи подсистемы входит

1. обработка различных документов, используемых на предприятии (например, планов, приказов, отчетов, нормативов, стандартов и т. д.),
   
2. формирование необходимых сводных доку­ментов,
   
3. автоматический сбор информации от приборов о ходе технологических процессов,
   
4. фиксация отклоне­ний, выявление причин их возникновения и многое другое.
   

Алгоритмы решения таких задач будут гораздо сложнее приведенных выше для информационно-спра­вочной системы склада готовой продукции.

Задачи выработки решений на всех уровнях управ­ления предприятием от директора до начальника цеха, отдела или другого производственного подразделения включаются в различные функциональные подсистемы АСУ. Например, к подсистеме планирования можно отнести такие задачи, как разработка планов работы предприятия и его отдельных участков на год, квар­тал, месяц; определение потребностей в материальных, трудовых и прочих ресурсах, необходимых для выпол­нения плана; согласование во времени процессов из­готовления деталей в заготовительных, механических цехах и выпуска из них изделий в сборочных цехах и т. п. Полученные решения используются другими под­системами, в частности подсистемой оперативного уп­равления участками производства. В этой подсистеме решаются задачи ежедневного учета итогов работы це­хов и участков и отклонений от плана; учета потерь от брака; контроля использования рабочего оборудования; учета использования материалов; корректировки пла­нов выпуска деталей и изделий по результатам ана­лиза состояния производства и др.

Автоматизация планирования и управления произ­водством способствует значительному улучшению опе­ративности и качества управляющих воздействий, по­вышению научной обоснованности планов, освобождению работников от выполнения трудоемких расчетов. АСУ предприятием обеспечивает также решение задач бухгалтерского учета, капитального строительства, управления материально-техническим снабжением и сбытом, управления кадрами и др.

Применение вычислительной техники в АСУ техно­логическим процессом позволило резко увеличить чис­ло регулируемых параметров, реализовать сложные алгоритмы управления, при необходимости быстро заменять одни алгоритмы другими (например, при из­менении целей управления), учитывать не только ны­нешнее состояние регулируемого процесса, но и его состояние в предшествующие моменты времени. В про­цессе работы ЭВМ рассчитывает оптимальные зна­чения регулируемых параметров, которые следует реализовать с помощью соответствующих ре­гуляторов для достижения поставленных целей. Если АСУ ТП работает в режиме советчика, то человек должен ознакомиться с этой информацией и либо сог­ласиться с предложенным управлением, либо откор­ректировать его, либо искать собственное. Часто алго­ритмы расчетов настолько сложны, а объем перераба­тываемой информации такой большой, что человек не в состоянии оценить за приемлемое время качество совета ЭВМ. Ему остается только установить требуе­мые параметры на заданные значения. В этих случаях желательно перейти к более высокому уровню автома­тизации процесса, подключив к ЭВМ соответствующие регуляторы с помощью специальных устройств связи.

Системы автоматизированного проектирования, как и АСУ, являются человеко-машинными системами.

Объектами проектирования могут быть здания, ма­шины, приборы и прочие изделия, а также процессы их изготовления. Несмотря на различия видов объек­тов, их проектирование содержит много похожих опе­раций, связанных с обработкой информации. Напри­мер, поиск и выбор информации о проектируемом объекте или его аналогах, выполнение необходимых расчетов, чертежей, оформление документации и др.

Для автоматизации таких операций предназначена САПР. Соответственно в САПР можно выделить раз­личные подсистемы: информационно-справочную, гра­фического отображения, формирования проектно-кон-структорской документации, проектирования отдельных элементов объекта и др.

Важное значение при подготовке инженерных кад­ров по робототехнике имеют системы автоматизиро­ванного проектирования (САПР). Одна из таких САПР, ориентированная в основном на автоматизированные расчеты рациональных кинематических схем, синтеза и анализа систем программного управления роботов, раз­работана в отделе робототехники Института автоматиза­ции им. М. Пупина в СФРЮ. В Ленинградском институ­те авиационного приборостроения создана учебно-иссле­довательская САПР систем программного и адаптивно­го управления роботов. Итак, в связи с начавшимся в нашей стране переходом ко всеобщему профессиональ­ному образованию основы информатики и робототехни­ки становятся одним из обязательных предметов в учебно-производственных комбинатах при средних школах.

Подготовка специалистов в области автоматизации.

Ведущее место в системе кадрового обеспечения средств автоматизации принадлежит вузам. Именно здесь долж­на завершаться сквозная подготовка рабочей молодежи и научной смены для решения сложных задач комплекс­ной автоматизации.

Подготовка специалистов по автоматизации в вузах тесно связана с научно-исследовательской работой. В ней активное участие принимают и студенты. Это позво­ляет им приобщиться к сложным задачам автоматиза­ции и внести свой вклад в их решение.

В последние годы в порядке эксперимента апроби­руется новая форма обучения студентов — целевая ин­тенсивная подготовка инженеров-исследователей. Она охватывает ряд наиболее дефицитных и наукоемких специальностей.

Подготовка студентов осуществляется по прямым до­говорам с заинтересованными предприятиями с целью сокращения сроков адаптации молодых специалистов к будущим местам их работы. В рамках этих договоров предприятия предоставляют вузам современное техно­логическое оборудование и новейшие компьютеры, обес­печивают условия для проведения сквозной производ­ственной практики, направляют своих ведущих специа­листов для чтения лекций.

Наиболее квалифицированные преподаватели рабо­тают с небольшими группами (4—6 человек). Это стиму­лирует научно-изобретательскую деятельность студен­тов.

Компьютерная информатика используется на всех этапах обучения, начиная с I курса.

Гибкий учебный план может частично корректиро­ваться по согласованию с предприятиями-заказчиками. Это позволяет быстро учитывать новейшие достижения в области автоматизации в учебном процессе. Курсы лекций по информатике и искусственному интеллекту

включены в учебные планы и программы ряда высших учебных заведений в нашей стране и за рубежом.

Широкое внедрение современных средств информа­тики, автоматизации и робототехники в учебный про­цесс ведет к поистине революционным изменениям в сис­теме среднего и высшего образования. Интенсификация и индивидуализация обучения с помощью персональ­ных компьютеров, учебных роботов, САПР и систем ис­кусственного интеллекта — характерные черты этого процесса. Только на этом пути можно удовлетворить всевозрастающий спрос на новые специальности и соз­дать гармонию между человеком и автоматизирован­ным трудом.

Компьютерная информатика и проектирование

Диалог между конструктором и компьютером. Преж­де всего возникает вопрос: нужно ли вообще привлекать компьютеры для проектирования новых изделий или технолсгий? Ответ на этот вопрос не так очевиден, как это может показаться на первый взгляд. Дело в том, что задача проектирования не может быть успешно решена, если к ней не будет привлечен квалифицированный конструктор: процесс создания проекта нового изделия в значительной степени опирается на творческие способ­ности и знания конструктора. Однако ни один компью­тер сегодня этими способностями и знаниями не обла­дает. Кроме того, неразумно загружать творчески мыс­лящего конструктора огромной, однообразной работой вычислительного характера, не требующей ни интуи­ции, ни глубоких знаний. Именно эту рутинную часть процесса проектирования целесообразно возложить на компьютер. Методы «безбумажной» информатики поз­воляют также передать компьютеру такие функции, как составление расчетной, конструкторской и техноло­гической документации, поиск необходимой информа­ции в справочниках и стандартах и т. п.

Как оптимальным образом распределить функции между человеком и компьютером? Как организовать их эффективное взаимодействие в процессе проектиро­вания?

Ключом к решению этих проблем могут служить сло­ва одного из основоположников кибернетики — Н. Вине­ра: «Отдайте же человеку — человеческое, а вычисли­тельной машине — машинное». Однако рекомендация Н. Винера носит весьма общий характер и нуждается в уточнении.

При распределении функций между человеком и компьютером необходимо учитывать характерные осо­бенности и преимущества каждого. У человека — это интуиция, знания, опыт, изобретательность, способ­ность принимать нетривиальные решения; у компьюте­ра — колоссальное быстродействие, большой объем памяти, высокая надежность и неутомимость.

Цель компьютеризации процесса проектирования за­ключается в том, чтобы оказать конструктору помощь, повысить производительность и качество его труда, сде­лать условия его работы более комфортными. Этого можно достичь, организовав диалог между конструкто­ром и компьютером. Необходимость в диалоговом режи­ме диктуется также тем фактом, что в настоящее время не существует полностью формализованной теории проектирования. Поскольку трудно рассчитывать на ее появление в ближайшем будущем, процесс проекти­рования естественно организовать именно как диалог человека с компьютером.

Человеко-машинный комплекс, обеспечивающий ра­циональное распределение функций между конструкто­ром и компьютером с целью максимальной автомати­зации процедур проектирования, называется системой

автоматизированного проектирования (САПР). Роль конструктора в САПР не сводится только к вводу в компьютер проектного задания и получению от него го­тового проектного решения. Он выступает как активный творческий участник на всех этапах процесса проекти­рования. Это обеспечивает САПР необходимую гибкость и адаптивность.

Использование компьютеров придало деятельности проектировщика своеобразную эмоциональную окрас­ку: задачи автоматизированного синтеза и анализа но­вых изделий стали источником творческого подъема и вдохновения. Это обстоятельство не следует считать вто­ростепенным. Оно тем более важно, что в рамках САПР требования к квалифицикации и творческим способ­ностям конструктора существенно возросли. Что же ка­сается традиционных форм «ручного» проектирования, связанных с чрезвычайно трудоемкими, монотонными расчетами и использованием стандартов и справочни­ков, то они постепенно уступают место компьютерному проектированию.

Режим диалога предъявляет серьезные требования к проектировщику как оператору компьютера и совре­менных средств ввода и вывода информации — диспле­ев, графопостроителей и т. п. Их широкое использо­вание в САПР позволяет еще больше повысить качество и производительность труда.

САПР предоставляет разработчику уникальную воз­можность исследовать свойства или поведение проекти­руемого объекта в условиях, которые нецелесообразно или невозможно воспроизвести на практике (например, моделирование аварийных режимов и ситуаций), а так­же моделирование разного рода возмущений и помех с целью оценки их влияния на поведение и характеристи­ки объекта. Наконец, использование САПР позволяет получать оптимальные проектные решения.

Диалоговое проектирование представляет собой

сложный ' интерактивный процесс преобразований проектного задания в проектное решение, включающее все необходимое для создания проекта. Поскольку этот процесс частично реализуется на компьютере, необходи­мо прежде всего сформулировать проектное задание и алгоритмизировать проектные процедуры и решения. Такая формализация требует особой тщательности в описании класса решаемых задач проектирования и не­обходимых проектных процедур и решений.

Однако слишком жесткая алгоритмизация процесса проектирования может сделать его неэффективным. По­этому здесь нужен разумный компромисс, согласно ко­торому конструктор вмешивается в этот процесс там и тогда, где и когда нужно принять ответственное реше­ние. Тем самым процесс проектирования несколько «расформализовывается» и становится гибким.

Особенности диалогового проектирования. Цели проектирования и круг решаемых задач определяются заказчиком. Он формулирует также требования, кото­рым должен удовлетворять проектируемый объект в процессе его эксплуатации. Исходя из этого, форми­руется проектное задание. Этот этап называют внешним проектированием.

На втором этапе осуществляется внутреннее проекти­рование, непосредственная разработка проектного зада­ния. Для его осуществления необходимы алгоритмичес­кие модели элементов и систем, из которых формирует­ся проектное решение.

Процесс проектирования заключается, во-первых, в синтезе вариантов проектируемой системы и, во-вто­рых, в анализе свойств каждого из них с целью выбора приемлемого или наилучшего варианта. В свою очередь процесс синтеза содержит два этапа: структурный син­тез, т. е. формирование структуры системы, и парамет­рический синтез, т. е. выбор параметров этой структуры.

Поскольку задача структурного синтеза плохо фор­мализуется, ее решение целесообразно оставить за че­ловеком. Именно здесь могут оказаться полезными опыт и интуиция конструктора. Однако это вовсе не означает, что компьютер на этом этапе, требующем активного творчества, бесполезен. На самом деле он может здесь быть прекрасным помощником, подсказывая, какие мо­дули содержатся в его базе знаний и какими свойствами они обладают. Кроме того, по мере развития теории проектирования и средств искусственного интеллекта компьютер в ближайшем будущем сможет самостоя­тельно решать задачи оптимального структурного син­теза.

Задача параметрического синтеза более проста. Обычно она допускает формализацию в виде расчетных соотношений для обоснованного выбора параметров всех алгоритмических модулей, входящих в структуру систе­мы. Поэтому априорный выбор параметров можно пору­чить компьютеру. В случае необходимости проектиров­щик может варьировать эти параметры в заданных пре­делах.

К сожалению, очень трудно заранее установить алго­ритмическую разрешимость задачи проектирования. Трудности связаны с неблагоприятным влиянием на систему неизбежных на практике возмущений и некон­тролируемых помех. Поэтому приходится, задавшись определенным классом возмущений и помех, анализи­ровать их влияние на поведение системы путем имита­ционного моделирования на компьютере.

Сложность описанного подхода к диалоговому проектированию заключается в том, что обычно кон­структору неясно, какую именно систему следует анали­зировать. Ведь эта система только проектируется, и, сле­довательно, ее полное описание он как раз и пытается отыскать. Возникает диалектическое противоречие. С одной

стороны, конструктор анализирует с помощью компью­тера поведение проектируемой системы, с другой _ именно описание этой системы он должен отыскать. Этот парадокс диалогового проектирования носит принци­пиальный характер. Его можно объяснить следующим образом.

Создать хорошую систему можно только, когда мы точно знаем ее описание. Оно формируется в процессе проектирования. Но даже если оно найдено, а сама сис­тема реализована, многие ее свойства остаются неясны­ми. Например, как поведет себя система в реальных условиях эксплуатации. Дело в том, что невозможно на стадии проектирования учесть все особенности этих условий.

Описанное противоречие полезно. Оно играет роль своеобразной пружины, подталкивающей процесс проектирования. Как только противоречие исчезло, «толкать» больше нечего и, следовательно, требуемое проектное решение получено. Важную роль при этом имеет имитационное моделирование возможных возму­щений и неопределенностей и оценка их влияния на свойства проектируемой системы. По существу, компью­терный анализ выступает здесь как главное средство разрешения противоречия, возникающего в процессе проектирования.

Базы знаний и данных проектирования. Для орга­низации диалогового проектирования необходимо линг­вистическое обеспечение. Оно включает иерархию взаи­мосвязанных языков, используемых в САПР на различ­ных этапах проектирования. Рассмотрим особенность этих языков и сформулируем требования, которым они должны удовлетворять.

Язык верхнего уровня САПР — это язык заданий. Он служит для формулировки и ввода в компьютер проектного задания. Основное требование — макси­мальная близость к естественному языку. Это означает, что состав операторов и синтаксис языка заданий должны, по возможности, совпадать со словарным запасом и синтаксисом языка проектировщика. Кроме того, язык заданий должен определять порядок ввода проектного задания и быть открытым в отношении словарного состава. Язык заданий, используемый на верхнем уровне

САПР, обеспечивает интеллектуальный интерфейс меж­ду проектировщиком и компьютером. Он облегчает внед­рение таких САПР и обеспечивает быстрое освоение их пользователями.

В некоторых случаях на верхнем уровне целесооб­разно использовать также языки символьной записи и системы преобразований алгоритмических моделей. Они (например, РЕДЬЮС или ФОРМАК) позволяют фор­мировать и развивать базу знаний. Они придают САПР интеллектуальный характер.

Язык среднего уровня САПР — алгоритмический язык. Он используется для записи в базу знаний и дан­ных алгоритмических моделей и программных мо­дулей.

Эффективное средство анализа поведения системы. описанной на алгоритмическом языке, — имитацион­ное моделирование. Поэтому языки среднего уровня можно назвать языками моделирования. В качестве та­ких языков могут использоваться обычные алгоритми­ческие языки (например, ФОРТРАН, ПАСКАЛЬ или СИ). Их главное достоинство заключается в том, что они хорошо приспособлены для моделирования различ­ных проектных процедур. Кроме того, для них разрабо­таны трансляторы, позволяющие перевести проектное решение на язык его реализации.

Необходимые сведения о языках, используемых в САПР, хранятся в лингвистическом процессоре, слож­ном программно-аппаратном комплексе, обеспечивающем лингвистическую (языковую) поддержку диалого­вого проектирования.

Один из важнейших компонентов САПР — алго­ритмическое и программное обеспечение, комплекс взаимосвязанных алгоритмов и программ, необходимых для автоматизации процесса проектирования. Это свое­образный посредник между лингвистическим обеспе­чением и аппаратной частью САПР, состоящей из компьютеров, графопостроителей, принтеров и другого необходимого оборудования.

Алгоритмическое и программное обеспечение можно сравнить с невидимой частью айсберга, в то время как лингвистическое обеспечение — это доступная взору его вершина. Эта невидимая часть огромна. В развитых САПР она содержит сотни алгоритмов, описывающих функционирование различных элементов и подсистем, и тысячи команд, составленных квалифицированными системными и прикладными программистами. Все эти алгоритмы и программы скрыты от непосвященного взо­ра и хранятся в базах знаний и данных.

База знаний — важнейший компонент интеллекта компьютера. Она имеет большую емкость памяти и спе­циальные средства обработки хранимых в ней знаний. В базе знаний САПР сведения об элементах и подсисте­мах записываются в форме алгоритмических моделей. Используются символьные языки систем типа ФОР-МАК или РЕДЬЮС. Наличие базы знаний позволяет человеку вести проектирование на языке заданий, по су­ществу на проблемно-ориентированном естественном языке.

В базе данных хранятся программные модули и дан­ные. К базе данных можно отнести и системные модули операционной системы компьютера и диалогового мони­тора САПР.

Диалоговый монитор включает в себя лингвисти­ческий процессор, интерпретатор языка заданий и пла-