Современные информационные технологии / 1. Компьютерная инженерия

Горская И.Ю., Маханькова Т.В.

Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

Искусственный интеллект в САПР

Благодаря научно-техническому прогрессу в нашей жизни появляется все больше и больше новых изделий. Для однотипных технических устройств уже созданы специальные методы проектирования. Однако часто возникают ситуации, когда использования ранее накопленного опыта не достаточно. Когда необходимо знать не только общие приемы и методы разработки, но и создавать новые конструкции моделей, приемы и методы расчета, или же разрабатывать абсолютно новые изделия, которые ранее не были знакомы никому. Данный уровень проектирования является самым сложным и называется изобретательским или уровнем поискового конструирования.

В современных условиях задачи проектирования и расчета решаются с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР), которые являются совокупностью аппаратных и программных средств и позволяют автоматизировать основные этапы проектирования различных изделий. Появление и интенсивное развитие САПР обусловлено мощным скачком в развитии компьютерных технологий.

Возможность и эффективность применения ЭВМ для решения тех или иных задач проектирования непосредственно связаны со степенью математической формализации этих задач. Наибольший успех достигнут для тех объектов и задач проектирования, для которых найдены адекватные математические модели, развиты эффективные вычислительные процедуры, доказана их разрешимость, определены ограничения. В САПР это, в первую очередь, относится к задачам анализа и параметрической оптимизации.

В то же время многие задачи проектирования (например, подавляющее большинство задач структурного синтеза) плохо поддаются автоматизации, решаются вручную, эвристически на основе опыта и интуиции разработчика. При этом качество получаемых решений определяющим образом зависит от творческих способностей человека. Такие задачи принято называть плохо формализуемыми, к ним относятся:

1. задачи, не имеющие точно выраженной математической постановки (в терминах автоматизированного проектирования ‑ задачи, не имеющие конструктивной математической модели);

2. задачи, решение которых алгоритмическими методами невозможно или неэффективно.

Плохо формализуемые задачи ‑ это чаще всего задачи в нечисловой форме. Кроме перечисленных выше, плохо формализуемые задачи обычно обладают следующими особенностями:

1. неоднозначность, неполнота и противоречивость исходных данных;

2. неоднозначность, неполнота и противоречивость знаний о решаемой задаче;

3. большое количество возможных решений.

Наряду с поиском и разработкой формальных подходов к решению таких задач перспективным является использование методов и средств искусственного интеллекта.

Искусственный интеллект (ИИ) ‑ это (применительно к проблематике автоматизированного проектирования) научная дисциплина, развивающая теорию и средства решения на ЭВМ плохо формализуемых задач на основе оперирования неформальными знаниями человека.

Работы в области ИИ ведутся по нескольким тесно связанным друг с другом направлениям: автоматическое доказательство теорем, распознание образов и сцен, обработка естественного языка, автоматическое программирование, планирование целесообразного поведения роботов, консультирующие экспертные системы и др. Теоретические и практические результаты, достигнутые в каждом из этих разделов ИИ, находят или могут найти приложение в САПР.

В зависимости от масштабности той роли, которую призваны играть методы и средства ИИ в решении задач проектирования, условно можно выделить 3 уровня интеллектуализации САПР. На первом уровне средства ИИ используются лишь в качестве компонент отдельных подсистем САПР, где они используются для решения подзадач, решений которых формальными методами неэффективно или невозможно. Второй уровень предусматривает наличие в САПР, построенных на традиционных принципах, подсистем (проектирующих или обслуживающих), полностью организованных в соответствии с методологией ИИ. Третий уровень интеллектуальности достигается при построении САПР целиком на организационных принципах систем ИИ с использованием как формальных, так и эвристических процедур проектирования.

Пример. Иллюстрацией первого уровня интеллектуальности могут служить подсистемы трассировки печатных плат, в которых 90...95% межсоединений трассируются формальными методами, а для размещения в автоматическом режиме остальных используются эвристические приемы. Ко второму уровню может быть отнесена САПР жидкостных расходомеров, в которой для выбора физических принципов действия расходомеров используется подсистема структурного синтеза, воплощающая в себе методы ИИ. К средствам построения САПР третьего уровня интеллектуальности относится мониторная подсистема INTERLOG, служащая средством интеграции независимых программных комплексов в единую САПР и основанная на идеологии ИИ.

Как и всякая другая система искусственного интеллекта, интеллектуальная САПР (ИСАПР) имеет в своем составе базу знаний, в которой хранится вся необходимая для ее работы информация о предметной области, в которой решается задача проектирования. В этой базе знаний собран и тот опыт, который накоплен проектировщиками, и экспертная информация о возможных путях поискового конструирования, опирающаяся на методы моделирования рассуждений, типичных для специалистов, работающих в данной области.

Опишем общую схему функционирования ИСАПР. Когда на вход системы поступает задание на проектирование, которое в ИСАПР может формулироваться на ограниченном профессиональном естественном языке, оно с помощью естественного языкового интерфейса и других диалоговых средств понимается системой, уточняется у пользователя и переводится в специальное внутреннее представление. После этого делается попытка свести процесс проектирования к стандартным процедурам, реализуемым в классических САПР. Если эта попытка оказывается безуспешной, то логический блок передает задачу на вход экспертной системы, ориентированной на решение задачи проектирования в данной предметной области. Взаимодействуя с базой знаний и САПР, экспертная система ищет решение задачи.

В рамках современных ИСАПР интегрируются различные процедуры, задачи, этапы и уровни проектирования, обеспечивается непрерывный сквозной цикл автоматизированного проектирования, начиная с этапа подготовки технического задания и выработки технического предложения и кончая созданием рабочего и технического проектов. Автоматизируются не только рутинные, но и эвристические и творческие задачи, в частности, процедуры поискового конструирования, структурного синтеза и оптимизации.

ИСАПР помогает поддерживать и интенсифицировать творческую активность разработчиков, повышать качество и производительность труда проектировщиков различных категорий, помогая сохранять и тиражировать уникальный проектный (экспертный) опыт и строить интеллектуальный интерфейс между проектировщиком и системой. Человек начинает доверять результатам компьютерной обработки информации. В результате повышается качество проектируемых образцов, так как увеличиваются число просматриваемых вариантов и глубина проработки каждого из них. Сокращаются и сроки проектирования, так как шире используются средства моделирования, ускоряются проектные расчеты и графические работы.

В процессе работы ИСАПР решаются все десять основных задач технического проектирования.

1. Составляется обоснованное техническое задание ‑ это внешнее проектирование.

2. Анализируется техническое задание ‑ это внутреннее проектирование.

3. Проводится концептуальный анализ: выбирается конструктивно-компоновочная схема, анализируется стоимость проекта.

4. Проводятся структурный синтез и оптимизация.

5. Ведется поисковое конструирование (изобретательство).

6. Проект планируется.

7. Конструкции перепроектируются и дорабатываются.

8. Повышается эффективность и качество инженерного анализа благодаря планированию вычислений и обучению пользователя владению прикладными программами. Проводится имитационное моделирование, выбираются численные методы расчета, результаты контролируются.

9. Проверяется соответствие отраслевым стандартам.

10. Готовятся рабочие чертежи и документация.

Каждая из этих задач требует весьма сложного программного и информационного обеспечения. Поэтому ИСАПР ‑ это дорогостоящие и весьма сложные системы, но без них вряд ли возможно создавать сложнейшие современные технические изделия. Следовательно, в настоящее время разработка новых профессиональных ИСАПР и проведение исследований в этой области являются высоко актуальными.

Литература

1. Нильсон Н. Принципы искусственного интеллекта / Н. Нильсон. – М.: Радио и связь. 1990. – 376 с.

2. Искусственный интеллект: В 3-х кн. Кн. 2. Модели и методы: справочник / под ред. Э.В. Попова. – М.: Радио и связь, 1990. – 303 с.

3. 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.

4. Малюх В. Н. Введение в современные САПР: Курс лекций ‑ М.: ДМК Пресс, 2010. ‑ 192 с.

5. Джонс Дж. К. Методы проектирования. ‑М.: Мир, 1986.