Автоматизация вариантного проектирования конструкций на основе систем агентов с адаптивным поведением: на примере стержневых систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат наук Козырева, Виктория Викторовна

• Козырева, Виктория Викторовна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Козырева, Виктория Викторовна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ВАРИАНТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Процесс вариантного проектирования конструкций как процесс структурного и параметрического синтеза сложных технических систем

1.2. Постановка задачи оптимального проектирования строительных конструкций

1.3. Методы оптимального проектирования строительных конструкций

1.4. Автоматизация процесса оптимального проектирования строительных конструкций

1.5. Современные подходы к повышению эффективности поисковых методов

1.6. Мультиагентный подход к построению распределенных систем

1.7. Формулировка цели и постановка задачи работы

ГЛАВА 2. АВТОМАТНЫЙ ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ СИСТЕМ ВАРИАНТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ (НА ПРИМЕРЕ СТЕРЖНЕВЫХ СИСТЕМ)

2.1. Постановка задачи вариантного проектирования стержневой конструкции

2.2. Основные понятия теории автоматной оптимизации: система автоматной оптимизации и автомат поиска

2.3.Формализация задачи вариантного проектирования стержневых конструкций в терминах теории автоматной оптимизации

2.4. Модель элементной САО

2.5. Модель автомата с адаптивным поведением

2.6. Автомат управления или Организация коллективного поведения системы автоматов

2.7. Автоматный метод вариантного проектирования стержневых конструкций

2.8.Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ МНОГОАГЕНТНОЙ СИСТЕМЫ ВАРИАНТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ (MAC ВПСК)

3.1. Основные понятия мультиагентного подхода

3.2. Основные подходы и методы проектирования MAC

3.3. Формализация процесса вариантного проектирования стержневых конструкций с использованием автоматного оптимизатора в рамках мультиагентного подхода

3.4. Модель многоагентной системы вариантного проектирования стержневых конструкций и ее компонентов

3.5. Сценарии работы MAC ВПСК

3.6. Архитектура и программы функциональных блоков основных типов агентов MAC ВПСК

3.7. Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОАГЕНТНОЙ СИСТЕМЫ ВАРИАНТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

4.1. Программная реализация многоагентной системы вариантного проектирования стрежневых конструкций

4.2. Верификация разработанной системы

4.3. Практическая апробация разработанной системы для решения задачи вариантного проектирования фермы покрытия промышленного здания и внедрение результатов исследования

4.4. Анализ результатов практического внедрения и перспективные направления дальнейших исследований

4.5. Выводы по главе 4

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация вариантного проектирования конструкций на основе систем агентов с адаптивным поведением: на примере стержневых систем»

ВВЕДЕНИЕ

Современные темпы проектирования и строительства зданий и сооружений накладывают свои требования к качеству проектных решений. От инженера-проектировщика сейчас требуется не только запроектировать конструкцию, отвечающую требованиям прочности, устойчивости и деформативности, но и получить технологически и экономически более эффективное решение. Это возможно сделать только в процессе вариантного проектирования, когда происходит анализ множества вариантов конструкции по комплексу технико-экономических показателей. «Ручная» реализация данного процесса весьма трудоемка и требует много времени, что в результате позволяет разработать более или менее детально 1-3 варианта. В результате в процесс вариантного проектирования конструкций приходится привлекать средства вычислительной техники.

Основную массу рынка программного обеспечения для строительного проектирования, в частности, в области расчетов строительных конструкций, сейчас занимают программные комплексы инженерного анализа (CAE -системы) такие как SCAD, Lira, ANS YS, NASTRAN и т.д. Они позволяют строить модели и рассчитывать конструкции различной сложности по методу конечных элементов (МКЭ). Однако большинство из них не содержит, либо содержит весьма ограниченные по функциональности модули оптимизационных расчетов. Данные модули построены на подходе к поиску решения задачи, предполагающем проведение итерационной процедуры последовательного применения двух процессов: конечно-элементного анализа конструкции с целыо определения параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции и преобразования переменных проектирования на основе используемого метода оптимизации по полученным значениям. Такой подход крепко связывает время, отводимое на вычисления, с выбранным методом поиска: скорость вычислений при нем напрямую зависит от количества итераций, необходимых для поиска решения, задаваемых

применяемым методом оптимизации и объемом пространства поиска. Как следствие этого, преимущество при построении систем вариантного проектирования отдается более быстрым и эффективным алгоритмам оптимизации. При этом зачастую вопрос об универсальности и массовости алгоритмов (т.е. ширине области их применения к задачам разного рода) отходит на второй план. В результате, пользователь системы, обладающий весьма неглубокими познаниями в области численных методов, ставится перед сложным выбором конкретного алгоритма, гарантирующего точное и достоверное решение поставленной им задачи.

Более эффективным решением в данной ситуации видится не разработка совершенных и быстродейственных алгоритмов оптимизации и применение их в САПР инженерного анализа, а построение систем, использующих механизмы адаптации и гибкой подстройки существующих алгоритмов поиска для решения задач нахождения экстремумов широкого класса функций. Разработка, алгоритмическая и программная реализация таких систем в настоящее время является весьма актуальной задачей.

Научно-техническая гипотеза состоит в предположении возможности функционального расширения современных систем автоматизации проектирования в части вариантного проектирования конструкций и повышения эффективности процессов и результатов проектирования стержневых систем на основе применения многоагентной системы, функционирующей на базе агентов с адаптивным поведением.

Целью диссертационной работы является разработка моделей и алгоритмов основных функциональных блоков многоагентной системы вариантного проектирования строительных конструкций, функционирующей на базе агентов с адаптивным поведением, и ее составляющих для решения задачи вариантного проектирования строительных конструкций (на примере стержневых систем).

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1) анализ научных и практических работ в области вариантного и оптимального проектирования конструкций;

2) анализ существующих подходов и методов автоматизации вариантного проектирования строительных конструкций;

3) формализация задачи вариантного проектирования конструкций в рамках теории автоматной оптимизации (на примере стержневых систем) и автоматного подхода;

4) построение метода оптимизации строительной конструкции на основе системы автоматов с адаптивным поведением и разработка модели системы автоматной оптимизации строительных конструкций (CAO ВПСК);

5) формализация процесса автоматизации вариантного проектирования строительных конструкций с использованием CAO ВПСК в рамках мультиагентного подхода;

6) разработка модели многоагентной системы вариантного проектирования строительных конструкций (MAC ВПСК), включающей в себя модели агентов и схему их взаимодействия;

7) выбор архитектуры агентов, входящих в состав MAC ВПСК;

8) разработка алгоритмов основных функциональных блоков программных агентов;

9) внедрение и апробация работы в практику вариантного проектирования конструкций;

10) формулировка перспективных направлений исследования.

Объектом исследования является процесс вариантного проектирования конструкций.

Предметом исследования выступает автоматизация вариантного проектирования строительных конструкций.

Теоретической и методологической базой исследований являются основные научные положения теории построения САПР, системного анализа и синтеза проектных решений САПР, математического моделирования,

численной оптимизации, теории принятия решений, теории автоматов и методов автоматной оптимизации, теории агентов и многоагентных систем, теории функциональных систем П.К. Анохина, модели и методы искусственного интеллекта, в частности, направления исследования «Машинное обучение», «Биологическое моделирование искусственного интеллекта», «Адаптивное поведение», и методы математического программирования. Проведены эмпирические исследования с целью нахождения взаимосвязей между заданными параметрами. Результаты выполненной работы базируются на методах исследования теории и практики автоматизированного проектирования. С целью анализа эффективности разработанных метода и моделей проведены численные эксперименты. Научная новизна работы заключается в создании:

1) автоматного подхода к решению задачи автоматизации вариантного проектирования строительных конструкций;

2) автоматного метода вариантного проектирования строительных конструкций на основе системы автоматов с адаптивным поведением (на примере стержневых конструкций);

3) модели системы автоматной оптимизации для автоматизации вариантного проектирования конструкций (CAO ВПСК) (на примере стержневых конструкций);

4) модели многоагентной системы автоматизации вариантного проектирования строительных конструкций (MAC ВПСК), включающей модели основных агентов и схему их взаимодействия;

5) алгоритмов основных функциональных блоков агентов для САПР вариантного проектирования строительных конструкций.

Практическая значимость заключается в разработке моделей, методов и алгоритмов для автоматизации вариантного проектирования строительных конструкций, позволяющих сократить сроки проектирования, а также повысить качество проектных решений. Предложенные модели и методы могут быть

внедрены в современные расчетные комплексы с целью повышения конкурентных преимуществ, а также использоваться в учебном процессе при изучении дисциплин «Конструкторские подсистемы САПР» и

«Интеллектуальные подсистемы САПР».

На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну и практическую значимость диссертационного исследования.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов подтверждается тем, что в диссертации используются общепринятые научные подходы к оптимизации и расчету строительных конструкций, в частности, по методу конечных элементов; приводится решение верификационных тестовых задач по оптимизации статически неопределимых ферм с использованием разработанных в диссертационном исследовании методов, моделей и алгоритмов и сравнение полученных результатов с результатами решения приведенных задач другими методами, в том числе и аналитическими, приведенными в научных источниках.

Апробация. Содержание и результаты диссертации неоднократно докладывались на российских и международных конференциях (VI Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (Москва, 2014 г.), Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, 2013г.), The 14th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering - 14th ICCCBE (Moscow, June 27-29, 2012), (Международная конференция по компьютеризации в строительстве) и др.), обсуждались и одобрены на секции Научно-методического совета по информационным системам и технологиям науки и образования в области строительства (НМС ИСТ) при Международной Ассоциации строительных вузов (АСВ) и Учебно-методическом объединении (УМО) вузов Российской Федерации по образованию в области строительства (2011-2014 гг.), заседаниях и семинарах кафедры Информационных систем,

технологий и автоматизации в строительстве (ИСТАС) федерального государственного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ») (2011-2014 гг.). Результаты работы прошли практическую апробацию в деятельности Общества с ограниченной ответственностью «Алт Проект» (см. Приложение А).

Публикации. Основные результаты представленной диссертации опубликованы в 7 научных работах. 3 работы опубликованы в научных изданиях, входящих в действующий перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и предложений, списка условных обозначений и сокращений, библиографического списка и приложения.

Содержание представленного исследования соответствует п. 1, 2, 3 Паспорта специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (строительство).

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ВАРИАНТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Процесс вариантного проектирования конструкций как процесс структурного и параметрического синтеза сложных технических систем

В настоящее время при проектировании строительных конструкций к ним предъявляется множество различных критериев, причем некоторые из них противоречат друг другу: это материалоемкость, экономичность, простота в изготовлении и монтаже, унификация конструктивных элементов и их серийность, выполнение всех условий предельных состояний конструкции, требований нормативных документов (СНиП, СП и др.). Для удовлетворения всем критериям необходимо рассмотреть множество вариантов конструкции и выбрать один из них - оптимальный.

Метод формирования, анализа и сравнения вариантов с последующим выбором из них оптимального носит название вариантного проектирования конструкций. Оно является важным этапом в создании экономичных конструкций. По сути, вариантное проектирование - это оптимальное проектирование на ограниченном множестве вариантов.

Вариантное проектирование включает в себя три последовательных этапа деятельности проектировщика:

• синтез объекта проектирования;

• анализ вариантов объекта;

• принятие решения (сравнение вариантов и выбор оптимального).

Синтез объекта проектирования подразумевает выбор структуры объекта и

определение всех его параметров. Разработка структуры объекта есть проектная процедура, называемая структурным синтезом [3, 258], а выбор значений параметров элементов объекта - параметрическим синтезом [3, 258]. Проектирование начинается со структурного синтеза, при котором

генерируется принципиальное решение в параметрическом виде. Далее проводится процедура параметрического синтеза, в результате которого задаются или рассчитываются значения заданных параметров.

Согласно [82] в процессе структурного и параметрического синтеза строительной конструкции решаются следующие задачи:

- компоновка сооружения,

- компоновка элементов конструкции,

- выбор типа узлов и соединения деталей,

- выбор материалов и форм сечения профилей.

Первые три пункта относятся к структурному синтезу строительной конструкции, последние - к параметрическому.

Процесс структурного синтеза - это творческий процесс, который зависит от многих факторов (задания на проектирование, архитектурно-планировочных решений, функциональных требований и т.д.). Он относится к классу сложно формализуемых задач и до сих пор не имеет четкого решения, хотя существует ряд общих подходов к постановке таких задач. Именно по этой причине структурный синтез выполняют в интерактивном режиме при решающей роли инженера-разработчика, а ЭВМ играет вспомогательную роль: предоставление необходимых справочных данных, фиксация и оценка промежуточных и окончательных результатов.

Наиболее часто задачу структурного синтеза стараются свести к задаче параметрического синтеза конструкции. Для этого в структуру конструкции вводятся «фиктивные» элементы [8, 4, 11, 32]. В процессе параметрического синтеза некоторые параметры элементов (модуль упругости или площадь поперечного сечения) вырождаются, т.е. становятся близкими или равными нулю, что фактически означает «отсутствие» данного элемента в конструкции.

Таким образом, задача синтеза объекта сводится к решению задачи параметрического синтеза. При параметрическом синтезе выделяют регулируемые и нерегулируемые параметры. Регулируемыми параметрами

строительной конструкции могут являться размеры сечений, геометрические и топологические параметры конструкции, нагрузки, параметры напряженно-деформированного состояния, а также параметры, связанные с физическими свойствами материалов элементов. Регулируемые параметры можно условно разделить на четыре группы [89, 201]. К первой группе относятся топологические параметры конструкции (Т): число узлов, панелей, групп унификации [216]. Вторую группу представляют общие геометрические параметры системы (С): координаты узлов, размеры конструкции (например, высота) [64]. Третью группу составляют характеристики материала конструкции (М): модуль упругости, модуль сдвига, коэффициент Пуассона, пределы прочности, текучести и т.д. К четвертой группе относятся параметры сечений элементов конструкции (5), которые можно условно разделить на три подгруппы [36]. К первой подгруппе относятся размеры сечений

элементов (толщина листов, стенок, полок и т.д. [67, 190, 207, 227, 238]), а также длины элементов, если допускается их независимое изменение. Ко второй подгруппе относятся интегральные характеристики сечений,

входящие в расчетные формулы (площади сечений, моменты инерции, жесткости [70, 101, 175, 189, 195, 202, 225, 226]). Третью подгруппу (Я_/) представляют безразмерные отношения размеров сечений и их интегральных характеристик [24, 167, 216]. Полный набор значений параметров первой подгруппы определяет единственную допустимую конструкцию. Значения второй и третьей подгрупп, в зависимости от способа их представления, задают некоторое множество вариантов конструкции. [75]

Все регулируемые параметры конструкции в совокупности составляют вектор регулируемых параметров X:

Вектор регулируемых параметров, фактически, является отражением основных свойств конструкции и представляет собой формальное описание (модель) расчетной схемы сооружения. Наиболее часто для решения задач

строительной механики прибегают к дискретным моделям тел. Это означает, что действительную систему заменяют приближенной физической моделью, свойства и состояние которой выражается конечным множеством чисел. Следовательно, все параметры строительной конструкции рассматриваются как дискретные переменные, а вектор параметров Xтакже является дискретным.

При разных постановках задачи вариантного проектирования вектор регулируемых параметров X может содержать как все группы регулируемых параметров, так и только их часть. В случае задачи с известной топологией конструкции {Т=сот() регулируемыми параметрами остаются лишь параметры последних трех групп:

Х = {С,М,$1 (1.2)

Если материал и общая геометрия конструкции также не меняются (.М=сот£ С=со/751/), варьируемыми параметрами выступают только параметры сечений элементов:

Х = {Б} = {< / >}. (1-3)

При этом общий вектор параметров системы (X) может быть представлен как совокупность векторов параметров ее отдельных элементов (Xе):

где п - количество элементов системы.

Регулируемые параметры с их значениями образуют в совокупности множество альтернатив (или пространство вариантов) конструкции, которое может быть сформулировано с точки зрения метода морфологического синтеза и представлено в форме И-ИЛИ-дерева [97]. Морфологическое И/ИЛИ-дерево является одним из способов представления модели морфологического множества уровня идентификации. Оно имеет два типа вершин: ИЛИ-вершины, представляющие собой классификационные признаки и означающие возможность выбора одного из ребер, которые соответствуют значениям классификационных признаков, и И-вершины, обычно представляющие

агрегацию подсистем. В случае строительной конструкции в качестве Инвертин могут выступать основные группы регулируемых параметров и элементы конструкции, а в качестве ИЛИ-вершин - принимаемые ими значения (рисунок 1.1)

Рисунок 1.1- Морфологическое И-ИЛИ дерево строительной конструкции

Полученное множество альтернатив, в свою очередь, выступает как пространство поиска, т.к. является множеством вариантов рассматриваемой конструкции. Поиск в заданном множестве относится к процедурам анализа и принятия решений с целью верификации проектного решения. В случае, если по результатам анализа проектное решение признается неокончательным, то начинается процесс последовательных приближений к приемлемому варианту проекта. Для улучшения проекта удобнее варьировать значения параметров элементов, т.е. использовать параметрический синтез на базе многовариантного анализа. В этом случае параметрический синтез называют параметрической оптимизацией (далее, просто оптимизацией), а задача вариантного проектирования конструкций сводится к задаче оптимизации.

Или-вершины

1.2. Постановка задачи оптимального проектирования строительных

конструкций

История развития оптимального проектирования строительных конструкций насчитывает уже почти четыре века, начиная с классической работы Г.Галилея (1638г.), посвященной проектированию равнопрочных балок, и заканчивая современными методами численной оптимизации.

Особенно интенсивно теория оптимизации конструкций начала развиваться в 60-е гг. XX века и в настоящее время является одним из основных направлений строительной механики. В этом направлении работает большое число как российских, так и зарубежных исследователей. Заметный вклад в развитие общей теории и разработку методов решения прикладных задач оптимального проектирования конструкций внесли: Н.П. Абовский, И.О. Адамович, Н.В. Баничук, А.И. Богатырев, В.А. Бунаков, В.П. Валуйских, В.В. Васильев, Г.В. Васильков, А.И. Виноградов, М.И. Волынский, E.H. Герасимов, Ю.Б. Гольдштейн, В.Н. Гордеев, Г.И. Гребешок, Э.Р. Даниелов, JI. В. Енджиевский, В.И. Кучерюк, И.Б. Лазарев, Л.С. Ляхович, В.П. Малков,Д.А. Мацюлявичюс, Ю.В. Немировский, Я.И. Ольков, И.Г. Овчинников, A.B. Перельмутер, В.А. Пермяков, Ю.М. Почтман, Н.В. Пустовой, И.М. Рабинович, Ю.А. Радциг, Л.А. Растригин, М.И. Рейтман, А.Р. Ржаницын, В.В. Трофимович, И.С. Холопов, A.A. Чирас, А.Г. Юрьев; Я.Арора,Л. Берки, Г. Вандерплаац, Э. Васютински, В. Венкайя, О. Зенкевич, Н.Ольхофф, В.Прагер, Дж.Тейлор, Э.Хог, К. Чой, Р. Шилд, Л.Шмит. Среди современных исследователей, работающих в области оптимального проектирования строительных конструкций, стоит отметить В.Н.Алехина, В.Ю. Алпатьева, В.В. Безделева, Г.В. Василькова, Т.Л.Дмитриеву, Н.В. Пустового, П.М. Саламахина, В.В. Свентикова, Э.С.Камешки (Esmat Saleh Kameshki) и др.

Достаточно большое количество научно-исследовательской литературы также посвящено теме оптимального проектирования: это обзоры [10, 17, 25, 28, 30, 37, 42, 43, 77, 90, 95, 96, 104, 111, 160, 162, 163, 203] и монографии [38,

47, 78, 89, 90, 98, 109, 110, 116, 132, 135, 139, 159, 163, 168, 171, 192, 193, 196, 198, 205,217, 221,223,236].

Что же подразумевает под собой термин «оптимальное проектирование»? Оптимальное проектирование предполагает поиск оптимального решения, т.е. такого, которое в силу ряда причин предпочтительнее других, например, при котором целевая функция экстремальна, из множества допустимых (удовлетворяющих всем наложенным ограничениям) решений. Процесс нахождения оптимального решения предполагает [26]:

1) выбор и составление математической модели задачи;

2) определение целевой функции, ограничений, уравнений связи;

3) выбор метода решения в зависимости от целевой функции, неравенств и уравнений связи;

4) проверку адекватности модели и оптимальности полученного результата.

Математическая модель задачи оптимизации зависит от ее постановки. В настоящее время существует множество вариантов постановки задачи оптимального проектирования строительных конструкций. Это связано с многообразием типов рассматриваемых конструкций (стержневые, пластины, оболочки), и, следовательно, с типом уравнений, описывающих их напряженно-деформированное состояние, с характером внешних нагрузок на конструкцию и со свойствами материалов, из которых она изготовлена [75].

Однако в большинстве своем все они могут быть сведены к следующему виду: необходимо найти такую систему (строительную конструкцию), которая обеспечивая достаточно высокую надежность (выполнение всех требований, заложенных в строительных нормах), требовала бы минимума затрат на ее изготовление и эксплуатацию.

По сути, задача оптимального проектирования строительных конструкций - это задача условной оптимизации, которая в общем виде может быть сформулирована следующим образом: минимизировать целевую функцию (критерий оптимальности)

С = /(*!,..

хп) = /(х)

(1.5)

при условиях

<

>

(1.6)

и ограничениях по знаку некоторых или всех переменных

А>хп>а^(к>п)

(1.7)

где х~(ху....хп) - оптимизируемые параметры конструкции.[24]

Такая задача предусматривает наличие двух компонентов: 1) целевой функции, соответствующей выбранному критерию оптимальности (значение целевой функции численно характеризует показатель качества); 2) системы ограничений, описывающих условия удовлетворительного функционирования рассматриваемого элемента. [26]

Согласно данному описанию математическая модель строительной конструкции в процессе оптимизации может быть формально описана следующим образом:

где и- управляемые параметры конструкции,

£)(и) - множество целевых функций или критериев оптимизации, Н(11) - множество функций ограничений-неравенств, С(V) - множество функций ограничений-равенств.

При построении модели исследуемого объекта определяются управляемые параметры (II) и критерии оптимизации (()(Цг), Н(Ц), 0(11)), которые описываются в форме функций от управляемых параметров.

В качестве управляемых параметров выступают ранее описанные в п. 1.1 регулируемые параметры конструкции, составляющие в совокупности со

£2(1/ )->тт/ тах, Н(и)>0, С(11)=0;

(1.8)

своими значениями дискретное множество альтернатив, или вектор регулируемых параметров ( X):

U = { G,T,M,S}. (1 9)

Критерии оптимизации включают в себя:

1) целевые функции (Q(U)), описываемые в форме следующего функционала

Q(U) -> min/ max; (1-10)

2) ограничения в форме равенств (G(U')) и неравенств (H(U)).

При постановке задачи оптимизации строительных конструкций может ставиться как один (однокритериальная задача), так и несколько (многокритериальная задача) критериев оптимизации, которые нередко взаимно исключают друг друга. В результате становится затруднительным не только построение множества эффективных конструктивных решений, но и выбор предпочтительного решения, т.к. общепринятого подхода для реализации таких задач оптимизации еще нет.

Существуют различные подходы к решению многокритериальных задач оптимизации: сведение многих целевых функций в единую функцию полезности, назначение экспертных оценок критериям, принцип доминирования [21, 45, 46, 114, 142, 153, 206]. Наиболее распространенным из них является принцип доминирования, когда один из критериев принимается за целевую функцию, а остальные критерии сводятся к форме ограничений.

Обычно в качестве целевой функции при оптимизации строительных конструкций выступают экономические показатели конструкций (стоимость, масса, трудоемкость и т.д.), хотя возможны и другие критерии, в которых экономические требования выступают в неявной форме (например, срок возведения) или отсутствуют (например, уникальность или эстетические соображения). В последнем случае критерии трудноформализуемы или вообще неформализуемы [26].

Наиболее распространенными экономическими критериями, которые могут быть приняты в качестве целевой функции при оптимизации, являются:

- масса конструкции [ 9, 7, 36, 51, 68, 69, 70, 82, 99, 107, 133, 141];

- объем конструкции [67, 82, 154, 202, 226];

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Козырева, Виктория Викторовна, 2014 год

список

РАССМОТРЕННЫХ ВАРИАНТОВ КОНСТРУКЦИИ

СПИСОК РАССМОТРЕННЫХ ОПТ ВАРИАНТОВ КОНСТРУКЦИИ

ОБРАБОТКА И ХРАНЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ

ТЕКУЩИЙ ВАРИАНТ КОНСТРУКЦИИ

Значения регулируемых параметров элементов

Значения НДС конструкции

Значения элементных целевых функци Vi

Фе

Значения системных целевых функци Vk

Фк

Фс

Фме

Значение оценки коллективного поведения

Í УПРАВЛЕНИЕ РЕШЕНИЕМ ЗАДАЧИ

Оптимальный вариант конструкции

Исходные данные

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ] С ПОЛЬЗОВАТЕЛЕМ

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ

ПАРАМЕТРЫ НДС КОНСТРУКЦИИ -1-

Рисунок 3.11 - Схема взаимодействия ролей проектируемой MAC

Полученные система функциональных ролей и схема взаимодействия ролей представляют собой описание будущей многоагентной системы. Они лежат в основе типов агентов и организации их взаимодействия в MAC ВПСК, которые будут описаны далее.

3.4. Модель многоагентной системы вариантного проектирования стержневых конструкций и ее компонентов

На основе полученного описания системы была составлена модель многоагентной системы вариантного проектирования стержневых конструкций, включающая структуру самой системы, описания агентов и модель их взаимодействия.

Структура MAC ВПСК представлена на рисунке 3.12. В ней можно выделить следующие компоненты многоагентной системы:

1) программных агентов четырех типов:

- элементный агент (А-агент) или агент-исполнитель;

- агент-расчетчик (С-агент);

- управляющий агент(М-агент);

- коммуникационный агент - «доска объявлений» (Blackboard);

2) среду для их обитания, где происходят процессы взаимодействия между агентами, передача информации между ними;

3) блок инициализации системы, который на начальном этапе генерирует необходимое для проведения расчета число агентов разных типов;

4) базы данных ресурсов, содержащие таблицы сортаментов типоразмеров поперечных сечений элементов конструкции, базы данных материалов и другую справочную информацию, которая используется в процессе расчета;

5) МКЭ-модуль - самостоятельный модуль по расчету конструкции с помощью МКЭ или программный комплекс, сопрягаемый с системой.

Основными элементами MAC являются программные агенты представленных четырех типов. Они были получены в результате обобщения

функциональный ролей, выделенных в процессе формализации процесса автоматизированного вариантного проектирования строительных конструкций в рамках мультиагентного подхода, представленного в параграфе 3.3. Рассмотрим каждого из них подробнее.

1) Элементный агент (или А-агент) выполняет роль «Подбора параметров отдельного элемента конструкции». Данный агент является агентным представлением «автомата с адаптивным поведением», описанного в главе 2. Сигналом к началу его работы служит сигнал о необходимости выполнения подбора новых значений регулируемых параметров элементов («Задание на подбор»), получаемого от М-агента. При поступлении такого сигнала А-агент считывает информацию о значениях МКЭ-расчета и значении оценки коллективного поведения группы АА-автоматов, выбирая только информацию, касающуюся «подшефного» ему элемента конструкции. Далее определяется состояние агента, по значению которого производится выработка управляющего сигнала по изменению значений регулируемых параметров элемента. Процесс принятия решения представляет собой процесс

Ill

функционирования АА-автомата в случайной среде. Полученные новые значения параметров элемента конструкции передаются в MAC для формирования нового варианта конструкции.

2) Управляющий агент (М-агент)- это агент-координатор и агент-супервизор системы. Он объединяет в себе роли «Управление процессом решения задачи», «Управление коллективным поведением АА-автоматов» и «Взаимодействие с пользователем».

М-агент получает исходную информацию (начальный вариант конструкции), преобразует ее и передает в систему для формирования значения текущего варианта конструкции и определения начальных состояний А-агентов.

Управление процессом решения задачи происходит при помощи выработки специальных сигналов для других агентов, побуждающих их к определенным действиям. Такими сигналами являются сигналы:

- «новое задание на расчет конструкции» (для С-агента),

- «новое задание на подбор параметров элемента» (для А-агентов),

- «окончание процесса расчета».

Для выработки представленных выше сигналов, М-агент производит оценку процесса расчета, т.е. следит за выполнением условия сходимости по точности и максимальному количеству итераций. Если условие сходимости не выполняется, он выдает сигнал о продолжении расчета («новое задание на подбор параметров элемента» и «новое задание на расчет конструкции»), в противном случае - сигнализирует об окончании расчета и осуществляет передачу результата решения задачи (параметров оптимального варианта конструкции) пользователю.

М-агент также оценивает действия коллектива А-агентов после каждой итерации системы вычислений. Он вырабатывает значения системного поощрения/штрафа в соответствии с выполнением или невыполнением общесистемных целевых функций. Это значение передается всем А-агентам.

3) Агент-расчетчик (С-агент) является агентным исполнителем роли «МКЭ-анализ варианта конструкции». Однако, сам С-агент не выполняет расчет конструкции с помощью метода конечных элементов. По своей сути он является интерфейсным агентом, служащим для взаимодействия с функционирующим в системе МКЭ - модулем.

Данный агент может выполнять следующие действия по сигналам, получаемым от М-агента и МКЭ-модуля:

1) формализация задачи расчета составленного варианта конструкции в форме, понятной для МКЭ-модуля — это может быть файл с расчетной схемой или массив, содержащий информацию о топологии, значениях геометрических и жесткостных параметров элементов, значениях и типах нагрузок и их сочетаний;

2) формализация результатов расчета, полученных от МКЭ-модуля,в форму данных, используемых в многоагентной системе;

3) переход в режим ожидания на время производства расчета конструкции МКЭ-модулем или пока не получено новое «задание на расчет».

Декомпозиция процесса «МКЭ-анализ варианта конструкции» на С-агента и самостоятельный МКЭ-модуль обладает большим преимуществом по сравнению с интегрированным блоком, объединяющим в себе оба эти элемента, поскольку позволяет реализовать их на разных персональных компьютерах. Данное преимущество еще больше усиливается благодаря возрастающей в последнее время тенденции распараллеливания вычислений, производимой в комплексах инженерного анализа. В них общий поток вычислений разбивается на несколько небольших потоков, обслуживающих определенный фрагмент расчетной схемы, и реализуемых на разных ПК, объединенных в сеть, с последующей обработкой информации в интегральном блоке расчета, расположенном на сервере.

Схема взаимодействия С-агента с таким модулем приведено на рисунке

3.13.

Рисунок 3.13 - Взаимодействие С-агента с расчетным комплексом инженерного анализа конструкций

4) Агент «доска объявлений» выполняет роль «Обработки и хранения информации, используемой в процессе расчета», а также организует процесс взаимодействия и обмена информацией между агентами системы. Такой способ организации коммуникации между агентами в MAC не нов. Впервые он был предложен в 70-х гг. в работах B.JIeccepa и Д. Лената [50, 143]. Основная идея данного способа состоит в воспроизведении взаимодействия нескольких агентов посредством информационного табло («доски объявлений»), на котором написаны все известные сведения и указаны решаемые задачи. Каждый агент может помещать некоторую информацию на «доску объявлений», изменять существующие записи, а также считывать необходимые для него сведения.

Модель «доски объявлений» состоит из трех частей (рисунок 3.14):

1) источников знаний, поставляющих новую информацию на «доску объявлений»;

2) структуры данных - формального представления данных, организованного для удобства обращения к ним;

3) механизма управления, определяющего доступ к «доске объявлений» для источников знаний в каждый момент времени.

ДОСКА ОБЪЯВЛЕНИЙ

Рисунок 3.14 - Модель агента «доска объявлений»

В MAC ВПСК источниками знаний выступают агенты трех существующих типов: А-агент, М-агент, С-агент. Каждый из них общается с «доской объявлений» путем рассылки асинхронных сообщений. При этом в процессе общения на «доске» происходит преобразование информации:

1) о результатах расчета конструкции (значениях узловых перемещений и усилий по всем элементам) («Результаты расчета МКЭ»);

2) о значениях регулируемых параметров конструкции («Результаты подбора»);

3) о значениях элементных целевых функций (F„ Фе1) по каждому элементу конструкции (или группе унификации конструкций);

4) о значениях общесистемных целевых функций Фк);

5) о значениях назначенных системных поощрений/штрафов (оценка коллективного поведения АА-автоматов);

6) о значении сигналов выдачи заданий, связанных с управлением процессом решения задачи («Новое задание на расчет», «Новое задание на подбор», «Окончание расчета»).

Данная информация размещается в разных ячейках массива «Информационное табло» (его строение приведено на рисунке 3.15). Отдельные области структуры данных занимают базы данных, хранящие историю всех сообщений, изменения информации на доске (история расчета), рассмотренные варианты конструкции, рассмотренные оптимальные варианты конструкции и массив «Оптимальный вариант конструкции», отображающий текущее значение оптимального варианта конструкции. Эта информация позволяет в дальнейшем пользователю проследить ход решения задачи системой и быстро получить результат.

№ _Значения подобранных ___ Значения элементных

итерации параметров элементов целевых функций

т А1 L1 An Ln V1 Фе1 Vn Феп

О-»*

Vk Фк Фс Фме В Flag_A Flag_MFE Flag_var

Значения системных — целевых функций

Оценка кол. поведения

Управляющие сигналы

Рисунок 3.15 - Структура массива «Информационное табло»

Агенты могут отправлять «доске объявлений» сообщения двух типов:

1) чтения - на запрос «доска» возвращает значения интересующих параметров;

2) запись - по запросу «доска» производит корректировку размещенной на ней информации.

Шаблон таких сообщений следующий:

1. Имя сообщения.

2. Краткое содержание сообщения на естественном языке.

3. Агент-адресат.

4. Агент- получатель.

5. Цель сообщения.

6. Приносимая информация.

Поскольку источниками знаний являются агенты трех типов, поэтому в системе действует только три типа протоколов коммуникаций:

1) Протокол «А-агент»-«Доска» ( рисунок 3.16 - А);

2) Протокол «М-агент»-«Доска» ( рисунок 3.16 - Б);

3) Протокол «С-агент»-«Доска» ( рисунок 3.16 - В).

имя

ОПИСАНИЕ

АГЕНТЫ

ВИДЫ СООБЩЕНИЙ

ПРОТОКОЛ «А-АГЕНТ-ДОСКА - , ОБЪЯВЛЕНИЙ» -

Регламентирует обмен сообщениями между А-агентом и Доской объявлений, А-агент передает информацию о значениях подобранных значений

регулируемых параметров конструкции, Доска объявлений по запросу пересылает сведения о значениях параметров НДС варианта конструкции, оценке коллективного поведения и о новом «задании на подбор параметров»

А-агент, Доска объявлений

MES1 (READ) - состояние параметра «задание на подбор» MES2 (READ)-значение оценки коллективного поведения MES3 (READ) - значение функции Фк MES4 (REAO) - значения параметров

НДС конструкции MES5 (WRITE) - подобранные

значения регулируемых параметров 1-ого элемента конструкции

ИМЯ

ОПИСАНИЕ

АГЕНТЫ

ВИДЫ СООБЩЕНИЙ

ПРОТОКОЛ «М-АГЕНТ-ДОСКА ОБЪЯВЛЕНИЙ» — -

регламентирует обмен сообщениями между М-агентом и Доской объявлений, М-агент передает

информацию о значениях управляющих сигналов и оценки коллективного поведения, Доска объявлений по запросу пересылает сведения об обновлении массива «Вариант конструкции»

М-агент, Доска объявлений

MES1 (READ)'

MES2 (READ) MES3 (READ) ■ MES4 (WRITE)

MES5 (WRITE)

■ значения подобранных параметров злементоа конструкции (массив «Вариант конструкции»)

■ значение системных целевых функций (Ук, Фк, Фс, Фме)

■ состояние параметра «обновление варианта конструкции»

- управляющие сигналы («задание на расчет», «задание на подбор», «окончание расчета»)

- значение оценки коллективного поведения А-агентов

ИМЯ

ОПИСАНИЕ

АГЕНТЫ

ВИДЫ СООБЩЕНИЙ

ПРОТОКОЛ «С-АГЕНТ.ДОСКА-ОБЪЯВЛЕНИЙ»

Регламентирует обмен сообщениями между С-агентом и Доской объявлений,

С-агент передает информацию о значениях НДС варианта конструкции , Доска объявлений по запросу пересылает сведения о значениях параметров элементов варианта конструкции,

С-агент, Доска объявлений

MES1 (READ)-значения подобранных параметров элементов конструкции (массив «Вариант конструкции») MES2 (READ) - состояние параметра

«задание на расчет» MES3 (WRITE) - значения параметров НДС варианта конструкции

Рисунок 3.16 - Протоколы взаимодействия агентов в MAC ВПСК

Каждый протокол определяет список агентов, включенных во взаимодействие, и список сообщений, которыми могут обмениваться агенты. В совокупности все протоколы составляют общую модель взаимодействия агентов внутри MAC ВПСК (рисунок 3.17).

Se

ш <

<

ДОСКА ОБЪЯВЛЕНИЙ !

ИНФОРМАЦИОННОЕ ТАБЛО

ЗАПИСЬ 1

ЗАПИСЬ 2

ЗАПИСЬ N

m

MES 1 MES 2

С-АГЕНТ

|mes-3

X Ш

Рисунок 3.17 - Модель взаимодействия агентов MAC ВПСК

Как видно из вышеприведенного описания агентов, внутри MAC для решения задачи вариантного проектирования стержневых конструкций, постоянно находятся: один С-агент, один М-агент, один агент «Доска объявлений» и N А-агентов (по числу управляемых параметров элементов конструкции или групп унификации). Все они являются реактивными агентами, отличающимися друг от друга разной сложностью организации поведения. Сама же MAC имеет иерархическую структуру, в которой М-агент выступает в роли главного управляющего элемента, или «мета-агента».

Рассмотрим теперь процесс функционирования MAC ВПСК.

3.5. Сценарии работы MAC ВПСК

Процесс функционирования MAC ВПСК состоит из ряда асинхронных параллельных процессов работы отдельных агентов системы. В связи с этим он может быть описан с помощью сети Петри, состоящей из конечного множества позиций, переходов, входных и выходных функций. Переходы (или триггеры) отображают ключевые события, происходящие в системе и являющиеся «толчком» к началу действий одного или нескольких агентов. Такую

последовательность действий в теории агентов и MAC принято называть «сценарий работы системы».

Каждый сценарий работы начинается и заканчивается триггером: первый дает сигнал о выполнении цепочки действий, определяемых данным сценарием работы, последний вызывает на выполнение новый сценарий. По средствам триггеров все сценарии работы оказываются связанными в замкнутую цепь. Триггер может срабатывать как при выполнении одного, так и нескольких условий. В последнем случае, для триггера определятся количество меток -условий срабатывания. Когда количество меток достигает необходимого числа, переход «открывается» и выполняется некоторый сценарий работы системы.

В MAC ВПСК было выделено 10 сценариев работы, представленных на рисунке 3.18. В качестве триггеров в них использовались события, представленные в таблице 3.1. В роли позиций выступали действия, описанные в таблице 3.2.

Таблъща 3.1 - Список триггеров сети Петри для MAC ВПСК

Имя триггера Событие

Т 1 Обновление значения оценки коллективного поведения на «доске объявлений»

Т 2 Новое «задание на подбор параметров элемента конструкции»

ТЗ Обновление значений параметров НДС варианта конструкции на «доске объявлений»

Т 4 Новое «задание на расчет варианта конструкции

Т 5 Новое задание для МКЭ-модуля

Т6 Получение результата расчета конструкции в МКЭ-модуле

Т 7 Сообщение с информацией о новых значениях регулируемых параметров элементов конструкции

Т 8 Сообщение с информацией о параметрах НДС текущего варианта конструкций

Т 9 Составлен новый вариант конструкции

Т 10 Сообщение с информацией о значении оценки коллективного поведения

Т 11 Сообщения о необходимости проведения расчета конструкции

Т 12 Сообщение с сигналом об «окончании процесса расчета»

Т 13 Получение значений исходного варианта конструкции от

пользователя

Т 14 Значение выражения «условие сходимости»

Т 15 Окончание работы MAC ВПСК

Таблгща 3.2 - Список позиций сети Петри для MAC ВПСК

Имя позиции Действие

Р 1 Чтение значений параметров НДС конструкции, и оценки коллективного поведения агентов за предыдущий шаг вычислений

Р 2 Определение значения состояния агента

РЗ Выбор нового значения регулируемых параметров элемента конструкции

Р 4 Публикация значений подбора регулируемых параметров элемента конструкции

Р 5 Чтение значений параметров нового варианта конструкции

Р6 Составление задания для МКЭ-модуля

Р 7 МКЭ-расчет конструкции

Р 8 Формализация результатов расчета в форму для MAC ВПСК

Р 9 Публикация значений параметров НДС конструкции

Р 10 Чтение значений системных целевых функций

Р И Проверка условия сходимости

Р 12 Публикация сигнала об окончании расчета

Р 13 Публикация значения оценки коллективного поведения А-агентов и управляющих сигналов о новой итерации расчета («Новое задание на расчет», «Новое задание на подбор»)

Р 14 Обновление значений параметров элементов конструкции на информационном табло Доски объявлений (N - число меток, равное числу А-агентов в системе)

Р 15 Обновление значения оценки коллективного поведения А-агентов на информационном табло Доски объявлений

Р 16 Обновление значений параметров НДС конструкции на информационном табло Доски объявлений

Р 17 Формализация результата расчета для передачи пользователю

Р 18 Выдача результата вариантного проектирования конструкции

Р 19 Формализация исходных данных, полученных от пользователя

Р 20 Обновление исходных значений параметров элементов конструкции на информационном табло Доски объявлений

Р 21 Обновление сигналов «Новое задание на расчет», «Новое задание на подбор» на информационном табло Доски объявлений

Сценарий 1 (Эс-1): исполнитель А-агент

Сценарий 2 (5с-2): исполнитель С-агент

Сценарий 3 (Бс-З): исполнитель МКЭ-_модуль_

Сценарий 4 (8с-4): исполнитель С-агент

Сценарий 6 (Бс-6): исполнитель Доска объявлений

, Т10

I Т1 -н-►

Сценарий 5 (Эс-б): исполнитель Доска объявлений

Сценарий 7 (5с-7): исполнитель Доска объявлений

|Т8 Г л "Т—Ч Р16 г

тз

Сценарий 8 (вс-в): исполнитель Доска объявлений

Сценарий 9 (Эс-Э): исполнитель Доска объявлений

Рисунок 3.18 - Сценарии работы МАС ВПСК

3.6. Архитектура и программы функциональных блоков основных типов

агентов MAC ВПСК

В данном параграфе речь пойдет о детальном проектировании каждого отдельного типа агентов, составляющих MAC ВПСК и описанных в п.3.5. Детальное проектирование включает в себя разработку архитектуры агентов, описание их основных свойств и характеристик и составление программ функциональных блоков агентов.

1. Архитектура С-агента.

С-агент является простым реактивным агентом, состоящим из сенсора, эффектора и процессора (рисунок 3.19).

Рисунок 3.19- Архитектура С-агента

На сенсоры агента поступает сигнал от внешней среды, на который агент отвечает выполнением некоторой программы действий. Процесс принятия решений при этом достаточно примитивен и может быть выражен в рефлексивной форме с помощью правила «условие-действие»:

№(сигнал)ТНЕЫ(программа действий).

Сигналом для срабатывания программы действий С-агента является сигнал о «новом задании на расчет варианта конструкции», публикуемый на «доске объявлений» в форме значения переменной flag_MFE=1.Данная переменная в общем может принимать два значения: 0 и 1.Значение Свидетельствует о выдаче «нового задания на расчет варианта конструкции». Значение О

соответствует сигналу о «выполнении МКЭ-расчета конструкции» и переходе С-агента в режим «ожидания».

Поскольку сигналов, получаемых от внешней среды («доски объявлений») два, то процесс функционирования С-агента может быть выражен в форме простого стационарного автомата с двумя состояниями, соответствующими входным сигналам, и двумя действиями (программами действий):

1) «выполнение МКЭ-расчета конструкции»;

2)«переход в режим ожидания».

Матрица выхода (Т) и матрица переходов (А) представляют собой единичные матрицы вида:

1 0 0 1

,Т=

0 1 0 1

Блок-схема процесса функционирования С-агента представлена на рисунке (3.20).

( начало ^ ,_^^_,

Определение состояния С-агента (Б)

X НЕТ ДА -- Г

Программа действий Программа действий «Режим ожидания» «МКЭ-расчет конструкции»

1 г

Передача результатов расчета

конец

Рисунок 3.20 - Блок-схема процесса функционирования С-агента

При выполнении программы действий «режим ожидания», С-агент не выполняет никаких действий и сохраняет свое состояние равным 0, о чем сигнализирует во внешнюю среду.

Программа действий «МКЭ-расчет конструкций» включает в себя:

- подготовку данных, отправляемых в МКЭ-модуль, в форме «задания для МКЭ-модуля»;

- формализацию полученных данных от МКЭ-модуля в форме, доступную для MAC ВПСК.

Блок-схема программы представлена на рисунке 3.21.

Рисунок 3.21 - Блок-схема программы действий «МКЭ-расчет конструкции» С-агента

При этом состоянии С-агента в конце выполнения действий изменяется со значения 1 в значение 0.

2. Архитектура М-агента.

М-агент по своей архитектуре и процессу функционирования аналогичен С-агенту, с разницей лишь в используемом сигнале от внешней среды и выполняемой программы действий.

В качестве сигнала внешней среды М-агент получает информацию о «формировании нового варианта конструкции», публикуемую на «доске объявлений» в форме значения переменнойАналогично переменной flag_MFE, переменная flagJyar принимает одно из двух значений:0 или 1. «1» соответствует сигналу о «формировании нового варианта конструкции», «0»означает отсутствие такого сигнала. В ответ на сигнал «О» М-агент выполняет программу действий «режим ожидания» (т.е. не изменяет своего состояния и сигнализирует об этом во внешнюю среду), а на сигнал «1»-программу действий «оценка варианта конструкции и процесса расчета» и изменяет свое состояние с 1 на 0.

Процесс принятия решений в этом случае может быть выражен в форме конечного автомата с двумя состояниями и двумя действиями и единичными матрицами, как для С-агента ( уравнение (3.6)).

Блок-схема процесса функционирования М-агента представлена на рисунке 3.22.

конец )

Рисунок 3.22 - Блок схема процесса функционирования М-агента

Программа действий «оценка вариантов конструкций и процесса расчета» состоит из следующих операций:

1)оценка варианта конструкции, включающая в себя вычисления значений системных целевых функций и определение по ним значения оценки коллективному поведению АА-автоматов с выдачей информации об этом значении во внешнюю среду (в форме сообщения для «доски объявлений»);

2)оценка процесса расчета, состоящая из проверки условия сходимости по точности вычислений и максимальному количеству итераций и выдачи сигналов «о необходимости проведения нового расчета конструкции» и «нового подбора параметров элементов конструкции» (в случае, если условие сходимости не выполнено) и сигнала об «окончании расчета» (в случае, если условие сходимости выполнено) во внешнюю среду (в форме сообщения для «доски объявлений»).

Блок-схема программы представлена на рисунке 3.23.

Рисунок 3.23 - Блок схема программы «Оценка вариантов конструкций и

процесса расчета» М-агента

3. Архитектура А-агента.

А-агент по своей структуре также является реактивным агентом, в состав которого входят четыре блока: сенсоры, эффекторы, память и процессор. Однако, в отличие от М-агента и С-агента, процессор А-агента устроен достаточно сложно. Он содержит в себе (рисунок 3.24):

1) обучающий компонент;

2) производительный компонент;

3) критика, работающего на основе метода SARS А.

Обучающий компонент представляет собой параметр системы, который отвечает за обучение. В качестве такого параметра в случае А-агента выступает матрица ценности действий Q(q,a) , которая каждому действию (а) и состоянию ( q ) ставит в соответствие некоторое численное значение

(«ценность»). По значению ценности с помощью механизма 8-жадного выбора производится выбор действия, которое совершит агент.

Рисунок 3.24 - Архитектура А-агента

Производительный компонент - это компонент, выполняющий действия агента. В случае А-агента - это выбор значения И из четверки {+а,-а,0,^}по

методу 8АЛ8А с в-жадной стратегией выбора и осуществление операции

= + (3-7)

где Xf - регулируемый параметр элемента.

Критик дает оценку действиям агента, т.е. вырабатывает значение локального вознаграждения, по которому происходит пересчет значения «ценности» выполненного действия, согласно основному уравнению метода SARSA (уравнение (2.64)).

Состояние агента (q ) имеет форму кортежа q =< qv,qF > •

Значение q^ определяется по значению функции восприятия (Per _1):

qF=Per_ 1 (38)

Функция восприятия See _ 1 преобразует информацию, приходящую с сенсоров агента о значениях состояния внешней среды е^ z^s^Pе Е

(значениях узловых перемещений, усилий данного элемента и системной оценки действий агента) в форму восприятия (Per ) - интегральное значение элементных функций ограничений:

SeeJ:Per_\ = <&e(e;), (3.9)

где Фе(е:)= f| (Фе^(е;)) ~ интегральное значение элементных функций

M.J

ограничений.

Значение qv определяется по значению (Per_2) функции восприятия (See_2 ), определяемую уравнением (3.11):

qv=Per_ 2; (3.10)

2..^ (зп) 0 ,(V^(t-l)-Vf(t))<0;

где V?(t)- объем элемента конструкции в момент времени t.

Процесс принятия решений А-агентом происходит как процесс функционирования АА-автомата в случайной среде.

Блок-схема процесса функционирования А-агента представлена на рисунке 3.25.

начало ^

Значение оценки коллективного поведения

Чтение данных о значении НДС конструкции, оценки коллективного поведения

Расчет значений функций восприятия Эее_1, Бее_2

Определение состояния А-агента с|_Р=Рег_1, Я_У=Рег_2

Значение параметров НДС конструкции

Рег_1, Рег_2

Ч-У.

Выбор мотива поведения

НЕТ

1

Стратегия поведения Р-автомата

1

Отмена действия, совершенного в момент времени (И)

Стратегия поведения \/-автомата

Расчет значения вознаграждения

Расчет значения вознаграждения

Выбор матрицы ценности действий 0(д,Ь)=02

Выбор матрицы ценности действий а(я,и)=01

Выбор значения И по е-жадной стратегии выбора на основе матрицы ценности действий

Х(1+1)=Х(1)+|1

<

Пересчет значений матрицы ценности действий по уравнению метода БАР^А

1

Выдача результатов

Х=<А,1->

конец ^

Рисунок 3.25 - Блок-схема процесса функционирования А-агента

4. Архитектура агента «доска объявлений».

Агент «Доска объявлений» также как и все остальные агенты MAC ВПСК является реактивным агентом. Действия данного агента связаны с процессами получения и отправки сообщений другим агентам системы, изменения значений на информационном табло и хранение информации, связанной с проводимым в системе расчетом. Состояние агента определяется по сигналам-запросам, получаемым в форме сообщений от А-, М-, С-агентов системы. Процесс принятия решений носит рефлексивный характер и может быть описан в форме базы правил вида (уравнение (3.12)), нейронной сети или как конечный автомат

if ( сигнал _1 )then( действие _1);

if(сигнал _2)then(действие _2); < ( j . 1 .z )

if( сигнал _N )then( действие _N ).

3.8. Выводы no главе 3

В третьей главе были достигнуты следующие результаты:

1. Проведен обзор основных элементов мультиагентного подхода, даны понятия «программного агента» и «многоагентной системы».

2. Рассмотрены основные свойства программных агентов, дана их классификация, представлена структура.

3. Рассмотрены основные составляющие многоагентных систем.

4. Рассмотрены основные подходы и методы построения многоагентных систем, выбрана методология проектирования MAC для решения задачи вариантного проектирования стержневых конструкций.

5. На основе принятой методологии проведена формализация задачи автоматизации вариантного проектирования стержневых конструкций в рамках мультиагентного подхода, приведено общее описание организационной структуры, состоящей из функциональных ролей, MAC ВПСК.

6. Построена модель MAC ВПСК, дано описание основных типов агентов, процесса их взаимодействия и сценариев работы системы.

7. Определены архитектуры основных типов агентов и составлены блок-схемы основных функциональных блоков агентов.

ГЛАВА 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОАГЕНТНОЙ СИСТЕМЫ ВАРИАНТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

С целью оценки качества построенных моделей многоагентной системы вариантного проектирования стержневых конструкций (МАС ВПСК) и составляющих ее агентов, а также разработанных алгоритмов автоматного метода оптимизации стержневых конструкций и функциональных блоков агентов была выполнена их программная реализация и проведена апробация на основе решения тестовых и практических задач оптимального проектирования конструкций в статической постановке.

4.1. Программная реализация многоагентной системы вариантного проектирования стержневых конструкций

В рамках диссертационного исследования была построена программная реализация многоагентной системы вариантного проектирования стержневых конструкций, модель которой была предложена в главе 3, в форме программного приложения - ПС МАС ВПСК.

В процессе разработки ПС были использованы следующие программные средства:

- агентная платформа Prometheuse Design Tool (PDT v.0.4.0) [262];

- универсальная инструментальная среда разработки программных приложений MatLAB версии 12.0 с пакетом расширения MatLAB Builder для Java ( Java Builder) [134].

Агентная платформа Prometheuse Design Tool использовалась для разработки описания и структуры многоагентной системы и входящих в ее состав агентов по методологии PROMETHEUSE и последующего перевода полученного описания системы в форму скелета программного кода проектируемой МАС для инструментальной среды JACK ( Java- платформы для

создания MAC) [266]. Дальнейшая доработка и отладка программного кода, описывающего классы агентов, протоколы взаимодействия и передачи данных, программы функциональных блоков агентов и MAC ВПСК, производилась с помощью системы MatLAB и блока Java Builder.

Основным языком программной системы принят объектно-ориентированный язык Java. Выбор объектно-ориентированного языка для реализации программных агентов вызван тем обстоятельством, что в настоящее время не существует «истинно» агентно-ориентированных языков программирования. В связи с этим для разработки MAC приходится использовать объектно-ориентированные языки, имеющие специальные расширения семантики и синтаксиса, позволяющие реализовать особые свойства и методы агентов, требуемые агентно-ориентированным подходом, а также многопоточность обработки данных и сетевое взаимодействие. Одним из таких языков и является Java и построенная на его основе инструментальная среда разработки агентов и агентных систем JACK (JACK Intelligent Agents). JACK - это расширение языка Java, содержащее набор библиотек классов, агентов, графических утилит для администрирования и наблюдения за жизнедеятельностью агентов, а также среду выполнения агентов. Как и многие агентные платформы, он поддерживает FIPA-стандарты для разработки архитектуры интеллектуальных агентов (FIPA Abstract Architecture) [265]. Она включает в себя описание в терминах языка UML следующих компонент:

- модели сервисов, доступных агентам MAC, и методов, позволяющих агентам получать информацию о доступных сервисах;

- средств поддержки совместного использования различных транспортных протоколов;

- средств поддержки различных форм представления ACL1 -стандартного языка коммуникаций агентов;

- средств поддержка различных форм языка описания содержания («контента») сообщений;

- структур описания сервисов в различных директориях.

Данные компоненты позволяют реализовать внутри программной системы три вида механизмов (сервисов) [261]:

• механизм регистрации агентов;

• механизма предоставления информации зарегистрированному агенту о других агентах и предоставляемых им сервисах;

• механизм передачи сообщений.

Платформа JACK содержит службу «белых» и «желтых» страниц, использует протоколы SMTP, UDP, TCP/IP.

Рассмотрим архитектуру разработанного программного приложения ПС MAC ВПСК. Данная программа состоит из шести блоков (рисунок 4.1):

1) интерфейсной системы;

2) исполнительной системы;

3) блока статического анализа стержневых конструкций по МКЭ;

4) блока проверочных расчетов стальных конструкций;

5) библиотеки элементов, классов и методов программной системы;

6) библиотеки сечений и материалов конструкций.

1. Интерфейсная система

Интерфейсная система осуществляет взаимодействие с пользователем, первичную обработку и формализацию входной информации, а также вывод и формализованное представление результатов расчета. По сути, она является пользовательским интерфейсом, содержащим набор базовых элементов для облегчения процесса ввода исходной информации, интерпретации результатов и настройки исполнительной системы [44].

Интерфейсная система состоит из графического пользовательского интерфейса, менеджера файлов проекта, менеджера данных и редактора отчетов.

ПС MAC ВПСК

Интерфейсная система

Графический пользовательский интерфейс

Блок проверочных расчетов стальных конструкций

Библиотеки сечений и материалов

Исполнительная система

Блок статического анализа \ \стержневых конструкций по МКЭу

^Библиотеки элементов, классов\ и методов

Менеджер файлов проекта

Менеджер данных

Редактор отчетов

Блок инициализации MAC

MAC ВПСК

А-агенты

М-агент

С-агент

Доска объявлений

Среда функционирования агентов

Рисунок 4.1 - Структура ПС MAC ВПСК

Графический пользовательский интерфейс служит для ввода, формализации и визуализации данных, полученных от пользователя, а также визуализации результатов расчета системы. Все исходные данные получаются от пользователя в режиме диалога, реализуемого с помощью диалоговых окон и графических компонентов интерфейса.

На рисунке 4.2. представлено главное окно пользовательского интерфейса ПС MAC ВПСК. Оно содержит в себе:

• Главное меню;

• Панели инструментов, реализующих вызов основных диалоговых окон без использования главного меню;

• Рабочую область, предназначенную для графического построения расчетной схемы и визуального контроля ввода данных.

0»Ял__С*«м J4jrpyjo« Расчет Н»стреЯ»я Слрпы

0.1 ы

д; /\ I