Разработка и исследование инструментальных средств выбора состава приборных комплексов летательных аппаратов с использованием методов искусственного интеллекта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.14, кандидат технических наук Сергейчик, Владимир Валерьевич

• Сергейчик, Владимир Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сергейчик, Владимир Валерьевич

Введение.

Глава 1. Использование методов искусственного интеллекта при проектировании приборных комплексов летательных аппаратов (ЛА).

1.1. Приборный комплекс современных и перспективных

1.2. Выбор состава бортового оборудования при создании современных и перспективных ЛА.

1.3. Применение методов искусственного интеллекта при выборе состава оборудования приборных комплексов

1.4. Основные методы и принципы создания экспертных систем.

1.5. Инструментальные средства для создания экспертных систем.

Выводы по первой главе.

Глава 2. ' Экспертная система выбора состава оборудования приборных комплексов ЛА.

2.1. Структурная схема гибридной экспертной системы выбора состава оборудования приборных комплексов

2.2. Канал обмена формализуемыми данными в гибридной экспертной системе выбора состава приборных комплексов.

2.3. Канал обмена неформализуемыми данными в гибридной экспертной системе выбора состава приборных комплексов.

2.4. Аппаратное обеспечение, операционная система и программное обеспечение системы.

Выводы по второй главе.

Глава 3. Инструментальное средство гибридная экспертная система выбора состава оборудования приборного комплекса.

3.1. Задачи проектирования, обеспечиваемые инструментальным средством.

3.2. База знаний, заполняемая инструментальным средством, и его пользовательский интерфейс.

3.3. Структура и редактор базы знаний.

3.4. Механизмы вывода, обеспечиваемые инструментальным средством.

Выводы по третьей главе.

Глава 4. Тестирование инструментального средства гибридной экспертной системы выбора состава оборудования приборного комплекса.

4.1. Тестовые примеры для прямой и обратной цепочек рассуждения.

4.2. Тестовые примеры по выбору алгоритма проектирования приборного комплекса.

4.3. Тестовый пример по выбору состава наземного приборного комплекса.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование инструментальных средств выбора состава приборных комплексов летательных аппаратов с использованием методов искусственного интеллекта»

Конец XX столетия и начало XXI века характеризуется небывалым ростом получаемой и обрабатываемой информации во всех сферах жизни. Обладание достаточным количеством достоверных данных превращается в фактор научно-технического прогресса. Сложные информационно-измерительные комплексы, которые воспринимают, хранят и обрабатывают большие объемы данных с целью предоставления их многим пользователям в удобном для каждого из них виде, создаются в самых различных областях науки, техники, жизни.

В авиационной технике задача создания таких комплексов (как бортовых, так и наземных) решается уже в течение ряда лет /1,3,7,8,10/. Настоящий этап развития бортовой техники, в том числе бортовых приборных комплексов, характеризуется полным переходом на цифровые средства передачи и обработки информации и новым принципом организации структуры этого оборудования, базирующемся на его комплексировании на основе бортовой вычислительной сети.

Новый принцип построения приборных комплексов требует и новых методов их проектирования как целого. В ряде работ /1,2,5,18,19,25,36-38,83/ решались задачи анализа и проектирования именно таких комплексов. Для всех этих задач определения параметров, состава и структуры сложных информационно-измерительных комплексов характерен учет тех требований к комплексу, которые удалось строго математически формализовать, что привело к формированию математической модели и решению задачи оптимизации тем или иным методом. Для современного этапа создания сложных информационно-измерительных комплексов, в частности бортовых приборных комплексов /8,73,76/, характерна необходимость учета как строго математически формализуемых, так и неформализуемых требований к проектируемому комплексу. Это приводит к необходимости создания гибридных экспертных систем /63/ для решения названных задач проектирования. Этот процесс является длительным и дорогостоящим. Современной технологией сокращения его сроков и затрат на него является создание инструментальных средств.

Универсальных инструментальных средств для разработки любой экспертной системы в настоящее время не существует /22,66/, поэтому актуальной задачей является разработка инструментальных средств, учитывающих особенности систем, для создания которых они предназначены.

Объектом исследования в данной работе являлись гибридные экспертные системы для решения задач проектирования современных и перспективных бортовых приборных комплексов.

Цель диссертационной работы состояла в создании математического и программно-алгоритмического обеспечения, позволяющего разработать инструментальное средство для проектирования статических гибридных экспертных систем, применяемых на этапе предварительного проектирования приборных комплексов.

Методы исследования, примененные в работе, базируются на методах математического программирования и методах инженерии знаний.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем: разработана математическая модель выбора состава приборных комплексов, учитывающая как строго математически формализуемые требования к проектируемому комплексу, так и требования такой формализации не поддающиеся; создано программно-алгоритмическое обеспечение, реализующее неформализуемую часть гибридной экспертной системы как статической продукционной системы, способной осуществлять как прямую, так и обратную цепочки рассуждений; разработано инструментальное средство для создания гибридных экспертных систем названного типа.

Научные результаты, выносимые на защиту: математическая модель выбора состава приборных комплексов, базирующаяся на методах математического программирования и методах инженерии знаний; программно-алгоритмическое обеспечение каналов статической гибридной экспертной системы продукционного типа, позволяющее решать задачи выбора состава оборудования приборных комплексов при учете различных требований; инструментальное средство для создания статических гибридных экспертных систем продукционного типа, решающих задачи проектирования.

Практическое значение полученных в работе результатов состоит в следующем: реализован прототип статической гибридной экспертной системы продукционного типа, осуществляющей выбор метода проектирования при формировании состава оборудования приборных комплексов на ЮМ PC совместимых персональных компьютерах под управлением операционной системы Microsoft Windows на языке программирования Microsoft Visual С++; разработанное математическое и программное обеспечение использовано при выборе состава приборных комплексов перспективных летательных аппаратов и состава измерительного комплекса космодрома.

В первой главе диссертации на основе проведенного анализа сформулирована задача выбора состава бортового оборудования при создании современных и перспективных ЛА, в которой учтены как строго математически формализуемые, так и неформализуемые требования к проектируемому комплексу и сделан вывод о необходимости разработки гибридной экспертной системы для осуществления такого выбора. Далее в главе дан обзор современного состояния разработки экспертных систем и инструментальных средств их создания, выделены вопросы, требующие решения в работе.

Вторая глава посвящена разработке статической гибридной экспертной системы продукционного типа для выбора состава оборудования приборных комплексов JIA. Дана структурная схема этой системы, описаны ее каналы как для обмена формализуемыми, так и неформализуемыми данными, разработано прикладное и базовое обеспечение, выбрано и обосновано системное и аппаратное обеспечение системы.

В третьей главе на основе полученных результатов разработано инструментальное средство для создания гибридных экспертных систем названного класса. Это средство в ходе диалога обеспечивает разработчику экспертных систем удобный многооконный интерфейс, включает универсальные цепочки прямых и обратных рассуждений, освобождая от необходимости их разработки, имеет элементы обучения и контроля вводимых правил.

Как сама экспертная система, так и инструментальное средство реализованы в среде персональных компьютеров, работающих под управлением операционной системы Microsoft Windows 98-2000 на языке программирования С++.

Четвертая глава диссертации содержит ряд наглядных примеров тестирования и применения разработанных прототипов экс9 пертной системы и инструментального средства, которые демонстрируют их применение и полезный эффект для решения поставленных задач.

В заключении изложены основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложениях приведены наглядные примеры экранных форм, иллюстрирующие ряд положений работы, пример текстового описания базы знаний и исходный текст основных модулей программного обеспечения.

Заключение диссертации по теме «Системы обработки информации и управления», Сергейчик, Владимир Валерьевич

Выводы по четвертой главе

1. Разработанные программно-аппаратные средства позволяют решать задачи выбора одного варианта из многих на базе прямой и обратной цепочек рассуждения с использованием базы знаний продукционного типа, а также выполнения ряда шагов в процессе проектирования с использованием различных методов оптимизации, в частности, методов математического программирования.

2. Применение разработанного математического и программного обеспечения в задачах выбора аппаратуры современных и перспективных приборных комплексов позволяет: проводить процесс проектирования с учетом как строго математически формализуемых, так и неформализуемых данных; развивать прототип разработанной экспертной системы с целью пополнения ее базы знаний и выполняемых ею функций; обучать пользователей как реализуемому процессу проектирования, так и созданию экспертных систем названного типа.

Заключение

В результате проведенных в данной работе исследований получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Поставлена задача выбора состава оборудования приборных комплексов летательных аппаратов и разработана соответствующая ей математическая модель. Эта модель базируется на методах математического программирования и методах инженерии знаний и позволяет учесть как строго математически формализуемые требования к проектируемому комплексу, так и условия, такой формализации не поддающиеся.

2. Выбрана и обоснована структурная схема статической гибридной экспертной системы продукционного типа для выбора состава оборудования приборных комплексов, включающая два канала: канал обмена формализованными данными, в котором на отдельных шагах процесса проектирования решаются задачи оптимизации с использованием различных алгоритмов; канал обмена неформализованными данными, в котором выполняются отдельные шаги процесса проектирования, базирующиеся на методах инженерии знаний, а также формируется сам процесс выбора состава конкретного приборного комплекса в сеансе работы с системой.

3. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение прототипа гибридной экспертной системы, позволяющее в режиме диалога с системой: задать требования к проектируемому комплексу; изменить их; сформировать процесс выбора с учетом заданных требований, включающий на отдельных шагах формирование и изменение математических моделей, соответствующих традиционным методам, моделирование с их использованием, а также выполнение рассуждений, соответствующих прямой и обратной цепочкам; представить полученные результаты пользователю в удобной форме на естественном языке; прокомментировать полученное решение.

4. Разработано инструментальное средство для создания статических гибридных экспертных систем продукционного типа, которое обеспечивает: выполнение прямой и обратной цепочек рассуждений; вызов независимых программных модулей, реализующих независимые проектные процедуры, в результате выполнения некоторых шагов этих рассуждений; заполнение базы знаний проектируемой экспертной системы в ходе диалога с инструментальным средством; объяснение получаемых проектируемой системой выводов.

5. Разработанные прототипы гибридной экспертной системы выбора состава оборудования приборных комплексов и инструментальные средства для создания таких систем реализованы на базе IBM PC совместимых персональных компьютеров под управлением операционной системы Microsoft Windows на языке программирования Microsoft Visual С++. Программное обеспечение имеет развиваемую иерархическую структуру и построено по модульному принципу, что обеспечивает его дальнейшее совершенствование и развитие.

6. Применение гибридных экспертных систем выбора состава оборудования приборных комплексов позволяет учесть требования различного характера к проектируемому приборному комплексу и повысить качество принимаемых проектных решений, как за счет более

144 полного учета требований к комплексу, так и создания комфортных условий проведения процесса проектирования.

7. Инструментальное средство для создания статических гибридных экспертных систем выбора состава оборудования приборных комплексов позволяет в несколько раз сократить сроки создания таких систем за счет сведения процесса проектирования к заполнению базы знаний системы и избавления пользователя от необходимости разработки механизма логического вывода и блоков, реализующих элементы обучения и контроля системы.

Полученные результаты нашли применение для решения ряда практически важных задач проектирования приборных комплексов и при обучении студентов современным методам проектирования приборных комплексов, что подтверждается соответствующими документами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сергейчик, Владимир Валерьевич, 2000 год

1. Автоматизированные системы планирования боевых задач. // Новости зарубежной науки и техники. Авиационные системы, 1993, №10.

2. Агеев В.М., Павлова Н.В. Приборные комплексы летательных аппаратов и их проектирование. М.: Машиностроение, 1990.

3. Ацюковский В.А. Построение систем связей комплексов оборудования летательных аппаратов. Информационные основы построения систем передачи и преобразования сигналов бортовых комплексов оборудования. М.: Машиностроение, 1976.

4. Батищев Д.Н., Шапошников Д.Е. Многокритериальный выбор с учетом индивидуальных предпочтений. Н.Новгород: ИПФ РАН, 1994.

5. Боголюбов И.Н., Воронцова И.П., Овсиевич Б.Л. Об одном подходе к выбору структур систем управления. // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика, 1974, №3.

6. Боднер В. А. Приборы первичной информации. М. Машиностроение, 1981.

7. Бородин В.Т., Рыльский Г.И. Пилотажные комплексы и системы управления самолетов и вертолетов. М.: Машиностроение, 1978.

8. Бочкарев A.M., Почуев С.И. Экспертные системы электронные консультанты летчика. // Зарубежная радиоэлектроника, 1989, №16.

9. Братухин А.Г. О некоторых проблемах CALS в российском авиастроении. // "Авиационная промышленность", №1, 2000, с. 3-11.

10. Братухин А.Г., Давыдов Ю.В., Елисеев Ю.Ц., Павлов Ю.Б., Суров В.И. CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделия) в авиастроении. М.: Изд-во МАИ, 2000.

11. Брауберг И.В., Садовский В.Н., Юдин Э.Г. Системный подход: предпосылки, проблемы, трудности. М.: 1969.

12. Брауберг И.В., Садовский В.Н., Юдин Э.Г. Проблемы методологии системного исследования. М.: 1970.

13. Брукинг А., Джонс П., Кокс Ф. и др. Экспертные системы. Принципы работы и примеры. / Под. ред. Форсайта. М.:Радио и связь, 1987.

14. Воробьев В.Г., Глухов В.Г., Кадышев И.К. Авиационные приборы, информационно-измерительные системы и комплексы. М.: Транспорт, 1992.

15. Герасимов Б.М. и др. Человеко-машинные системы принятия решений с элементами искусственного интеллекта. Киев: Наукова Думка, 1993.

16. Гофман В., Delphi 5 в подлиннике, BHV-СПб, 1999.

17. Запорожец A.B., Костюков В.М. Проектирование систем отображения информации. -М.: Машиностроение, 1992.

18. Иванов О.П., Синяков А.Н., Филатов И.В. Комплексирова-ние информационно-измерительных устройств летательных аппаратов.-Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1984.

19. Интеллектуальные системы управления летательных аппаратов. //Тематический сборник научных трудов. М.:МАИ, 1991.

20. Клейлор К. Как построить свою экспертную систему. М. :Энергоатомиздат, 1991.

21. Искусственный интеллект: в 3-х кн. / Под ред. Э.В. Попова . М.:Радио и связь, 1990.

22. Крейг Д.К., Visual Basic 5.0. Мастерская разработчика, Русская Редакция, 1998.

23. Крисевич B.C., Кузьмин JI.A., Шиф A.M. и др. Экспертные системы для персональных компьютеров. Методы, средства, реализация. Минск: Высшая школа, 1990.

24. Лебедев Г.Н. Методы принятия оперативных решений в задачах управления и контроля. М.:МАИ, 1993.

25. Лебедев Г.Н., Андронов H.H., Ковзан Л.А., Падафей В.В. Разработка экспертной системы безопасности полета летательного аппарата. // Автоматизация разработки матобеспечения и архитектуры систем реального времени. Иркутск:Наука, 1990.

26. Левин Р., Дранг Д., Элелсон Б. Практическое введение в технологию искусственного интеллекта и экспертных систем с иллюстрациями на Бейсике. М.:Финансы и статистика, 1991.

27. Ж.-Лорьер Л. Системы искусственного интеллекта. М.:МИР, 1991.

28. Любарский Ю.Я. Интеллектуальные информационные системы. М.:Наука,1990.

29. Малышев Н.Г., Бернштейн A.C., Боженюк A.B. Нечеткие модели для экспертных систем в САПР-. М.:Энергоатомиздат,1991.

30. Марка Д., Гоуден K.M. Методология структурного анализа и проектирования. М.: Мета Технология, ТОО ФРЭД корпорации БАНК СЕРВИС, 1993.

31. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: Математические основы. М.:МИР, 1978.

32. Михайлевич B.C., Волкович B.J1. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. М.:Наука,1982.

33. Моисеев C.B., Панагушин В.Г. Оптимизация конструктивных эксплуатационных характеристик бортового радиоэлектронного оборудования при его проектировании с учетом эксплуатационных затрат. М.: МАИ, 1972.

34. Морозов В.П., Тихомиров В.П., Хрусталев Е.Ю. Гипертексты в экономике. Информационная технология моделирования. М.: Финансы и статистика, 1997.

35. Научно-методические материалы по идентификации и управлению адаптивных систем. М.:ВВИА им.проф. Н.Е. Жуковского,1983.

36. Научно-методические материалы по интегрированным бортовым комплексам. / Под. ред. В.Н. Букова. М.:ВВИА им.проф. Н.Е.Жуковского, 19 86.

37. Научно-методические материалы по организации и обработке в информационных системах. М.:ВВИА им.проф. Н.Е. Жуковского, 1986.

38. Нортон П., Станек У., Программирование на Java. CK Пресс, 1998.

39. Павленко А.И., Росин М.Ф. Математическое обеспечение систем принятия решений. Препринт. М.:МАИ,1990.

40. Павлов Ю.Б., Давыдов Ю.В. Автоматизированные системы конструирования информационная основа внедрения САЬБ-технологии. // "Авиационная промышленность", №1, 2000, с. 11-17.

41. Павлова Н.В. Сергейчик В.В. Моделирование цепочек прямых рассуждений в экспертных системах проектирования приборных комплексов. // Тезисы докладов научных чтений, посвященных памяти Н.Е. Жуковского, М.: 1998.

42. Павлова Н.В., Сергейчик В.В. Выбор состава аппаратуры сложных приборных комплексов на базе методов искусственного интеллекта. // "Приборы и системы управления. Контроль. Диагностика", 2000.

43. Павлова Н.В. Сергейчик В.В. Моделирование цепочек прямых рассуждений в экспертных системах проектирования приборных комплексов. // Тезисы докладов научных чтений, посвященных памяти Н.Е. Жуковского, М.: 1998.

44. Павлова Н.В., Сергейчик В.В. Выбор состава аппаратуры сложных приборных комплексов на базе методов искусственного интеллекта. // "Приборы и системы управления. Контроль. Диагностика", 2000.

45. Павлова Н.В. Оптимизация состава и структуры приборных комплексов на базе методов математического программирования. // "Приборы и системы управления. Контроль. Диагностика", 2000.

46. Павлова Н.В. Оптимизация состава и структуры приборных комплексов на базе методов математического программирования. // "Приборы и системы управления. Контроль. Диагностика", 2000.

47. Первозванский A.A., Гайцгори В.Г. Декомпозиция, агрегирование и приближенная оптимизация. М.:Наука, 1979.

48. Петров В.В., Агеев В.М., Павлова Н.В. Применение информационных методов в автоматизированном проектировании измерительных систем. // "Итоги науки и техники. Техн.кибернетика", М.: ВИНИТИ, Т. 16, 1983.

49. Петров В В., Агеев В.М., Павлова Н.В. Принцип оптимального комплексирования информационно-измерительных систем при автоматизированном проектировании. //Доклады АН СССР, 1982, Т. 264, №3.

50. Петров В.В., Павлова Н.В. Комплексирование методов в гибридных экспертных системах. // ДАН ,1996, Т.30, №4.

51. Попов Э.В. Экспертные системы. Решение неформализованных задач в диалоге с ЭВМ. М.:Наука, 1987.

52. Попов Э.В., Фоминых И.Б., Кисель Е.Б. Статические и динамические экспертные системы (классификация, состояние, тенденции) М.: Центральный Российский Дом Знаний, 1995.

53. Попов Э.В., Фоминых И.Б., Кисель Е.Б., Шапот М.Д. Статические и динамические экспертные системы. М.: Центральный Российский Дом Знаний, 1995.

54. Попов Э.В., Фоминых И.Б., Кисель Е.Б., Шапот М.Ф. Экспертные системы реального времени. М.: Финансы и статистика. 1995.

55. Романов О.Т. Интеллектуальные системы в автоматизированном проектировании. М.: МАИ, 1995.

56. Рыжиков Ю.И., Программирование на Фортране Рохуе^айоп для инженеров, КОРОНА принт, 1999.

57. Сафонов В.О. Экспертные системы интеллектуальные помощники специалистов. С.-Петербург: Орг. о-ва. "Знание" России Д992.

58. Сергейчик В.В. Гибридная экспертная система формирования состава бортового приборного комплекса. // Тезисы докладов II Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых "Современные проблемы аэрокосмической науки". Жуковский: ЦА-ГИ, 1999.

59. Таунсенд К., Фохт Д. Проектирование и программная реализация экспертных систем на ПЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1990.

60. Уотермен Д. Руководство по экспертным системам. М.: Мир, 1989.

61. Федосов Е.А. Системы искусственного интеллекта и области их военного применения. Кн.1. М.: ГОСНИИАС, НИЦ, 1991.

62. Франка П., С Учебный курс, Питер, 1999.

63. Хант Э. Искусственный интеллект, М: МИР, 1978.

64. Хахулин Г.Ф. Многоуровневый метод имитационного моделирования сложных систем. М.: МАИ, 1988.

65. Хахулин Г.Ф. Постановка и методы решения задач дискретного программирования. М.:МАИ,1992.

66. Хейес-Рот Ф. и др. Построение экспертных систем. М.:Мир,1987.

67. Хог Э., Apopa Я. Прикладное оптимальное проектирование. М.: Мир, 1983.

68. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. Структуры и алгоритмы, систематическое проектирование. М.: Энергоатомиздат, 1985.

69. Экспертные системы. Принципы и примеры / Под ред. Ф. Форсайт. М.: Радио и связь, 1987.

70. Экспертные системы реального времени. Материалы семинара. М.: Центр. Российский Дом Знаний, 1995.

71. Экспертные системы, состояние и перспективы. Сборник научных трудов АН СССР. М.: Наука, 1989.

72. Эндрю А. Искусственный интеллект, М: МИР, 1985.

73. Энциклопедия кибернетики. В двух томах Киев: Главная редакция Украинской советской энциклопедии, 1975.155

74. Юдин Д.В., Горяшко А.Н., Немировский А.С. Математические методы оптимизации устройств и алгоритмов АСУ / Под ред. В.В Асафьева, В.А. Шабалина. М.: Радио и связь, 1982.

75. CALS (Поддержка жизненного цикла продукции): Руководство по применению. М.: Изд-во ГУЛ "ВИМИ", 1999.

76. Osipov V.G., Pavlova N.V., Rogalev А.Р. Airborne Equipment Assemblies and Their Simulation. // Proceedings of the Fourth BUAA/MAI International symposium on automatic Control. Moscow, 1997. M:MAI, 1997.

77. Вид главного окна после загрузки базы знаний (выбран список переменных):т | «-у чктяылм 5 т^ял^я 5 | ^ |5 . ~ — ^. •••; «я чад« ял» ГГСЛКчоЛЪК!йКЗф.3