Современные информационные технологии/1.
Компьютерная инженерия
О.В.
Новоселова
Московский
государственный технологический университет «СТАНКИН», Россия
Моделирование функциональной
компоненты предметной задачи на начальном этапе автоматизации
Методология
автоматизации интеллектуального труда (МАИТ), разработанная в МГТУ «СТАНКИН»,
обеспечивает промышленный способ создания и развития автоматизированных систем
различного назначения для предприятия [1]. На начальном этапе автоматизации выполняется
анализ традиционного процесса решения предметных задач (ПЗ) и формируется модель
решения задачи, которая фиксируется в виде диаграмм и спецификаций и отражает процесс
решения задачи с точки зрения предметного специалиста. Функциональный компонент
задачи описывается системой предметных действий, которая декомпозирует задачу
на подзадачи и строится с использованием базовых (последовательность, итерация,
альтернатива) и типовых алгоритмических конструкций (цикл, переключатель).
Система предметных действий отражает последовательное
решение подзадач и для определения возможности их параллельного выполнения было
предложено структурное представление алгоритмических конструкций, которое вводит
пространственно-временные характеристики для процесса решения задачи. Это
позволяет проводить реструктуризацию системы предметных действий по временным
характеристикам (тактам) и пространственным (конвейерам).
Структурное представление основывается на
математическом аппарате блочных матриц [2], где каждому сложному предметному
действию (СПД) yps (или s-му
предметному действию на p-м уровне декомпозиции)
можно поставить в соответствие матрицу Aps, которая включает
следующие блоки: A1ps – описывает внешние входные информационные связи СПД ; A2ps – описывает структуру простых предметных действий в рамках СПД, их внутренние
информационные связи; A3ps – описывает внешние выходные информационные
|
Aps
= |
A1ps |
A2ps |
|
|
A4ps |
A3ps |
Для проведения реструктуризации системы
предметных действий сначала выполняется формирование полного и расширенного
структурного описания для предметной задачи в целом, и только после этого
формируется оптимальное структурное описание в соответствии с критериями
пространственно-временных характеристик.
Для формирования полного структурного описания необходимо
в исходное структурное представление СПД верхнего уровня Aps вложить структурное представление СПД нижнего уровня A(p+1)h и так до тех пор, пока все сложные предметные
действия не будут раскрыты и представлены структурой из простых предметных
действий. При встраивании матрицы нижнего уровня уточняются элементы матрицы,
отражающие информационную связность предметных действий на данном уровне
разложения. Матрица полного структурного описания позволяет получить целостное
представление предметной задачи, которое учитывает ее разложение по тактам
(столбцам) и конвейерам (строкам). В работах [3,4] приведено формальное
описание правил формирования блоков и элементов блоков полного структурного
описания для задачи в целом.
|
|
Aps1-1 |
Aps2-1 |
Aps2-2 |
Aps2-3 |
|
Aps = |
Aps1-2 |
Aps2-4 |
Aps2-5 |
Aps2-6 |
|
|
Aps1-3 |
Aps2-7 |
Aps2-8 |
Aps2-9 |
|
|
Aps4 |
Aps3-1 |
Aps3-2 |
Aps3-3 |
Результирующая матрица A*ps будет иметь такое же количество подблоков, что и
исходная. Расширенное структурное описание получается транспонированием элементов
блока A2*ps относительно главной диагонали, где в верхней
треугольной матрице дублируется информационная связность между предметными
действиями - элементами главной диагонали. Сформированное расширенное структурное описание
показывает информационную связность между предметными действиями задачи, что
позволяет проводить реструктуризацию системы предметных действий по
пространственно-временным характеристикам.
Реструктуризация (формирование оптимального структурного
описания) системы предметных действий по временной характеристике предполагает
сокращение количества столбцов, определяющих такты, в блочной матрице A*ps. Для получения
оптимального по тактам структурного описания было выполнено формальное описание
перемещения элемента главной диагонали - предметного действия и всех элементов,
связанных с данным действием на такт ранее при условии отсутствия
информационной связности.
Также была сформулирована
методика реструктуризации системы предметных действий по тактам, которая
включает следующие шаги, выполняемые итерационно: идентификация элемента –
предметного действия, определяемого его кодом, расположенного на главной
диагонали в строке i, столбце i; проверка значения элемента
матрицы, расположенного слева от определенного предметного действия в строке i,
столбце i-1, показывающего наличие (1) / отсутствие (0) информационной
связности; если нет информационной связности, то выполняется перемещение всех
элементов из столбца i в столбец i-1 (на такт ранее) по
определенным правилам; переход на следующую строку i-1 и повторение всех шагов
заново.
Приведенные выше шаги
повторяются для каждого элемента главной диагонали, пока не будет
идентифицирован первый элемент главной диагонали, стоящий в первой строке и первом
столбце. После завершения прохода по главной диагонали, необходимо снова
вернуться к ее последней строке и последнему столбцу и начать новую
итерацию. Итерации прекращаются, когда
все элементы окажутся информационно связанными и не будет сделано ни одного
перемещения.
В соответствии с правилами перемещения элементов:
перемещается код предметного действия; при перемещении элементов, показывающих
наличие / отсутствие информационной связности, определяют необходимость формирования в ячейке матрицы столбца i-1 строки значений, которая будет отражать состояние информационной
связности между предметными действиями, расположенными в i-1 столбце.
Результаты методики реструктуризации приведены на примере задачи
«Определение дополнительного контактного напряжения колеса» для
проектировочного расчета цилиндрической зубчатой передачи. На рисунке 1
представлена система предметных действий.
b41 Определение дополнит. контактного
напряжения колес Определение дополнит. контактного
напряжения колеса + Фиксация назначения колеса Определение доп.напряжения для базового
числа циклов перемены напряжений Определение коэффициента долговечности на
контактную выносливость Расчет доп. напряже-ния Расчет проведен для всех колес? Нет Да Определение баз. числа циклов Определение эквив. числа циклов Определение разности циклов Определение коэффициента долговечности по
разности циклов Нет Да Другое колесо Вывод результатов Определение коэффициента долговечности при
полож. разности Определение коэффициента долговечности при
отрицат. разности b61 b82 b81 b76 b75 b74 b73 b72 b71 b51 b65 b64 b63 b62
Рис.1.
Система предметных действий для задачи «Определение дополнительного контактного
напряжения колеса».
На рисунке 2 приведено расширенное
структурное описание, полученное из полного структурного описания предметной
задачи. Рисунок 3 отражает оптимальное структурное описание после проведения
реструктуризации по временной характеристике (тактам).
|
|
1 |
b61 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
|
|
1 |
1 |
b62 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0 |
0 |
b71 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
A41 = |
1 |
0 |
0 |
1 |
b72 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
1 |
1 |
b73 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
b81 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
b82 |
1 |
0 |
0 |
|
|
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
b64 |
1 |
1 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
b75 |
0 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
b76 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Рис.2.
Расширенное структурное описание.
|
|
1 |
b61 |
1/0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
|
1 |
1 |
b62 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
|
1 |
b71 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
A41 = |
1 |
0/1 |
b72 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0/1 |
1 |
b73 |
1/1 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
0 |
1 |
b81 |
1 |
0 |
|
|
0 |
0 |
0 |
1 |
b82 |
1 |
0 |
|
|
1 |
1/0 |
1/0 |
0 |
1/1 |
b64 |
1/1 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
b75 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
b76 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
1/1 |
1 |
1/1 |
Рис.3. Оптимальное по тактам структурное описание.
Формализация алгоритма
формирования оптимального структурного описания по тактам и разработка усовершенствованного
алгоритма реструктуризации системы предметных действий позволяет моделировать
функциональную составляющую предметных задач и оптимизировать процесс их
решения для сокращения временных затрат в вычислительной среде.
Литература:
1.
Г.Д. Волкова. Методология автоматизации интеллектуального труда. – М.: Янус-К,
2013. – 104 с.
2.
Волкова Г.Д., Курышев С.М. Анализ и моделирование традиционных процессов
решения предметных задач // Автоматизация и управление в машиностроении, 1999. №7.
[Электронный ресурс]. URL: http://magazine.stankin.ru/art/index.html.
3.
Волкова Г.Д., Ефромеев Н.М. Моделирование предметных задач на ранних этапах
автоматизации // Тезисы докладов Международной научной конференции, посвященной
памяти профессора А.М. Богомолова «Компьютерные науки и технологии». – Саратов:
СГУ им. Н.Г. Чернышевского, 2012.
4.
Новоселова О.В. Моделирование традиционных процессов решения предметных задач
на начальном этапе автоматизации // Материалы Х Международной
научно-практической конференции «Эффективные инструменты современных наук –
2014». – Чехия, Прага: Publishing
House "Education and science" s.r.o., 2014.