авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ

Секачёв, Виктор Александрович

Компьютерная поддержка процесса структурного

проектирования сложных

информационно­измерительных систем

Москва

Российская государственная библиотека

diss.rsl.ru

2007

Секачёв, Виктор Александрович.

   Компьютерная поддержка процесса структурного

проектирования сложных информационно­измерительных систем  [Электронный ресурс] : Дис. ... канд. техн. наук :

05.11.16. ­ Волгоград: РГБ, 2007. ­ (Из фондов Российской Государственной Библиотеки).

Информационно­измерительные и управляющие системы (по отраслям) Полный текст:

http://diss.rsl.ru/diss/07/0014/070014010.pdf Текст воспроизводится по экземпляру, находящемуся в фонде РГБ:

Секачёв, Виктор Александрович Компьютерная поддержка процесса структурного проектирования сложных информационно­измерительных систем Волгоград  Российская государственная библиотека, 2007 (электронный текст) 61:06-5/ Министерство образования и науки Российской Федерании Волго1ра;

1,ский государственный технический университет На нравах рукониси СЕКАЧЁВ ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ К0М1 i hioviiPi 1 Я НОДДР:РЖКА ПРОЦЕССА А CTpyia у рного нроЕкти РОВ Ания сложных ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Снениальпость 05.11.16 - «Информащюнно-нзмерительные и улра]?ляк)111.ие снсте.хн,!» (в маншноетроении) Диссертация па соискание учёной стене1Н1 кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических паук нрофессор Ю. П. Муха,В(лго1рад- ПЕРЕЧЕНЬ С0К1'АЩЕ11ИЙ, УСЛОВНЫХ 01ЮЗНЛЧЕННЙ, СИМВОЛОВ, ТЕРМИНОВ A3 априорные знания АЦН аналогоБО-дифровой Hpco6pa3oimTCJHj БФР блочпо-фуикционази.ное расиредслснис ВС вычисли'гс;

нные системы ИВК информационно i5bi4HCjmTejHjiH)H"i комнлекс иве информационная вычислительная сеть ИИС информационно-измерительная система ИС H3MepnrejHjHaM снсгема ИСУТН информационная система унравления техноло1'ическими процес сами МА метрологический аиа]Н1з МИ матрица иицидентности МНВУ множество наименьшей внецшей устойчивости ПК HcpcoHajn.Hbm компьютер ПЛИС нро1раммируемыс логические ингегра;

цные схемг ПЛМ цро1раммируемые логические матрицы ПС ирограммнос средство СВТ средства вычиcJнгleJПЛI0Й техники СЭМ системы экологического мониториига ТЗ техиическое задание ЦАП цифро-аналоговьн! иpeoбpaзoвaтeJЦ ЧПУ числовое нрофаммиое уиравление ЯВУ язык высокого уровня ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. АКТУАЛЬНОС ГЬ РАЗРАНО Г С И АНАЛИЗ НЕКОТОРЫХ ГИ ИЗВЕСТНЫХ НА НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ НРИМЕНЕНИЙ СТРУКГУРН01 О ПОДХОДА 1.1. Нроблемы и псрсиекгивы ситеза сложных систем 1.1.1. Сложность процесса проектирования GojHjnnix систем 1.1.2. Известные методы проектирования 1.1.3. Определенпе процесса проектирования 1.2. Нримспсипи струкгурпого подхода при решении задач ироектиропаиин 1.2.1. Сунпюсть структурного подхода 1.2.2. Прпмепения структурного нодхода при проектировапии алгоритмов расно:5навания графических изображений 1.2.3. Топологические Meio/ui на 1рафах при конструировании печатных плат 1.2.4. Тонологические методы на графах нрп проектировании pacпpeдeJ/ёппыx систем экологического мопиторипга (СЭМ) 1.2.5. Топологические методы прп проектировапии диалогов человеко манн1нных систем и при смысловом распозпавании текстов 1.3. Ностаиопка чадачи 1.3.1. Подходы при ироекгировапии измepитeJПJПFIx систем и обоспованпе применения автоматизации при структурпом проектировании ИИС 1.3.2. Анализ недостатков рассмотре1пнлх нримеиеппй структурного нодхода с точки зрения проектирова1П1я ИИС 1.3.3. Концепция разрабатываемой комныотерной поддержки ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ к ГЛАВЕ 1 ГЛАВА 2. ТЕОРЕI ИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАЬАТ1,1ВАЕМ0Й КОМНЫОТЕРНОЙ НО;

ЩЕРЖКИ 2.1. Объект и средство измереиий 2.1.1. n3MepHTejH,HMe нреобразования 2.1.2. Процесс проектирования сложной ИИС 2.1.3. Представление объекта нроектировапия на оспове теории категорий 2.2. Разработка.модели даииых для предегавлсиии и операторов дли их обработки 2.2.1. Представление проектируемой етруктуры иа осиове графа 2.2.2. Оиерачоры иреобра.юваиий структуры 2.3. Оитимизации и поеегаиоилеиие отишизироваииой етруктуры па МНВУ 2.3.1. Примерная оценка сложности 2.3.2. Получение МПВУ и воестановлеиие оптимапыюй структуры 2.4. Нрпмепеиие егрукгурио-иерархичеекого подхода па графах к проектированию 2.4.1. Проектирование на основе Moj[cmi компонентов 2.4.2. Проектирование на основе модезн! нроцеесов ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ к ГЛАВЕ 2 ГЛАВА 3. НРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ КОМИЫОТЕРИОЙ ПОДДЕРЖКИ И 01И»ЕДЕЛЕНИЕ ЕЁ НРИМЕИЕНИЯ НРИ СТРУКТУРНОМ НРОЕКТИРОВАИИИИИИС 3.1. Коицеипии комиыогсриой поддержки при проектпроваппп ИИС па еиегемиом этапе 3.1.1. Обоенованне нримепения ав'1оматизацни нри нроектировании ПИС на снстемном уровне 3.1.2. Предсчавление информации для автоматизированной обработки... 3.2. Нодробиа51 erpyKiypa иро1 раммиого пакега 3.2.1. Ониеание функциона]н.ного онтилшзатора структур ИИС 3.2.2. Онисаиие ирограммного накета и его модулей 3.3. ИпжeпepпasI мего^ижа поетроеии}) больптх пз1мерите;

пиых епете.м в копгекеге авгомагизаиии 3.3.1. Краткое ониеание методики 3.3.2. Блок-схема метода нроектировання ИИС с иснользованием автомаптшнии ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ к ГЛАВЕ 3 ГЛАВА 4. МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ 0ЦЕ1ИСА ИОГРЕШИОСТИ СТРУКТУР ИРОЕКТИРУЕМЫХ ИИС И Р А З Р А Б О Т А Й И О Г О ПРОГРАММНОГО ОБЕСИЕЧЕИИЯ ДЛЯ КОМИЫОТЕРИОЙ ИОДДЕРЖКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИИС 4.1. Общий подход к оиредслеипю метрологических характеристик сложиых СИС1 ем 4.1.1. Метрологический aiiajui:} ИИС на этапе проектирования структуры ИИС 4.1.2. Программное обеснечение и ajH'opHTMbi, применяемые для проектирования ИИС в разрезе метрологического анализа 4.2. Теоретические осиоиы оцеики иогреи1иосп1 ИИС 4.2.1. Накопление ногреинюети в мно1()уровневой ИИС 4.2.2. А]их)ритм оценки примерной ногрепнюети структуры при взаимном влняпии комнопетов 4.2.3. Опенка 11рограм\н1О-орие1ггирова1Н1Ых aJH'opnTMOB 4.3. Иример мегроло! ической оцеики иогре1ииос1И 4.3.1. Опепка ногреппюсги фрагмепта структургл 4.3.2. Опепка ногреппюсги программпо-ориентированпых алгоритмов ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ к ГЛАВЕ 4 ОСНОВНЫЕ PE3yJHTArbIPAHO1bl(3AKJHO4EHHE) БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СНИСОК ИСИОЛЬЗОВАИИОЙ ЛИТЕРАТУРЫ НРИЛОЖЕИИ Е 1 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ВВЕДЕНИЕ Системный этан - наиболее важный :)ган в нроектировании. Оттого, на сколько прав1инно и корректно выбрана структура будун1ей системы, будет зависеть трудоёмкость реализании её комнонентов на 11оследуюн1их этанах, вплоть до изготовления и исньпания оньпного образца. Системный этан про ектирования целесообразен тогда, когда речь идёт о создании любого сложно го материшнзного объекта, вкл1очаюн1его в себя HceKOJHiKO дееятков фупкнио нальных компонент н нодсистем. Можно его нрименять и нри нроектирова нии HeMarepHajHiiibix объектов, в частости ajnopHTMOB и нрофамм большой сложности. Вряд ли стоит говорить об исно]н.зованпи системного подхода при проектировапии неделимых элементов конетрукнии (деталей), нанример, ра диодеталей (типовых мгнч'росхем различной степени интегрании, транзисто ров, диодов, трансформаторов и 'i'. д.), ночому что здесь имеет место или рас чёт, или выбор необходим[,1х из сниска. Имеются нрограммные накеты для аппаратного нрограммирования микросхем ПЛИС и ПЛМ, предназпачеппые для реализации цифровых ]югических схем. Кроме того, имеются программ ные пакеты для расчёта и моделирования режимов электроннглх аналоговых и цифровых HpHHHHHHajH.Hirx схем (МЛТЬаЬ, SiiriHLink). 11а начальных этапах проектирования ИИС, ИВК с иснользованием средетв вычиcJIитeJHнoй техни ки, когда необходимо выбрать структуру, невозможно наиболее нолно ис пользовать возможности современных программных автоматизированных систем, так как в них нет peajHijaHHH аппарата неременных экcтpeмaJПЛ^ыx структур, нозволяюпщх онтнмизировать структуру по фупкпиональному рас пределепию. Программные накеты (MicroCap, PSpice) исио:н,зуются на этапе схемотехнического нроектирования, когда ио имеюп1ейся нринциниальной схеме некоторого комнонента систем11 и необходимо рассчитать, папример, переходную характеристику с расчётом 'токов во всех ветвях схемы, чтобы убедится, что все радиоэлектронные нриборы со своими нараметрами нодоб раиы правильно или необходим 1ювый нодбор. Пакеты MicToCap, Fspice - на кеты анализа, в то время как нроектирование — нроблема синтеза. При конет рукторской реализации схелил электрической нринциниальной в виде нечат ных плат исио]н,зуется своя грунна нрограммных накегои (PCAD).

Снедиалыю для проектирования етруктур ИИС иет вообн1,е никаких программных пакетов. Приведённый ассортимент соответствует задачам про ектировапия ЭВМ и электронных устройств oGniero или снециализированпого назначения и jHHiib нрисносабливается для нужд проектирования ИИС при возможности. Это автоматизация aиaJн^зa электронн1.1х схем, моделирования их функциона]и.ности, системгл для комноновки/разводки печатных плат, бло ков, конструк'1-орские пакеты для проектиропапия Kopnycinix, крепёжпых и механических элементов.

Однако ]'1С для автоматизированного проектирования и выбора опти мальных структур систем на самом нервом, системном этапе до сего времени пока не сун1ествует, хотя, как упоминалось в самом начале, от выбора па чальпой eipyKiypbi в связи с данными ТЗ и ЛЗ во многом зависят характери стики нроектируемого изделия и их соответствие задагпплм требовапиям.

Имеются редак'юры графов, которые предназначены для различных учебных целей [33], но они проблему структурного проектирова1П1я пе реншют. Пеоб ходимость применення автоматизированно1Ч) нодхода нрн выборе структуры объясняется тем, что реализация сложной ИИС многовариантна, кроме того в процессе необходимо нодвергать оптимизации отдельпые фрагмепты или всю целиком, или замепщть oтдeJн,ныe блоки другими структурами, иолученпую структуру опя'ть подвергать оптимизации и т. д. При этом во время оптимиза ции процесс пеобходимо контролировать и иметь возможпость возврата на зад, а но завернюнии - изменять 1юлученные результаты. Чтобы выбрать наи лучший вариант, необходимо MFioro вычнсзнпельной работы на графах, кото рую можно нepeJюжить на средства современной вычисли тeJH,нoй техники, В настоян1ее время сложные ИИС, ИВК, ВС и сети всё более ишроко входят во все еферы обн1ественной жизни - от с;

южных нроизводств до бы та. Системы совремеигнлх ИИС и ИВК могут включать в себя разиородпые системгл, тесно снязанныс друг с другом, при этом каждая подсистема вы полняет сною строго определённую (1)ункни10. Со»месгное функционирование подсистем, определяет функниониронание всей системы в целом. При сбое функционнрования хотя бы одной подсисгемы обнщя функция изменяет вид, в результате нарушается функционирование со всеми вьггекаюшими отсюда последствиями.

В нервой главе данной диссертации рассматривакпся общие ироблемы проектирования, возникаюнше на ранних тганах нри создании структуры, бу дет дано краткое оннсание структурно-иерархического подхода, его нримене пия к некоторым ирикладн1лм задачам, ii частноети к задаче раснознавания образов, конструиро15ания иечатшлх нлат, смыс;

ювого aFiajHi3a текета, проек тирования систем экологическо1О мониторинга (СЭМ). Проводится сравнение особенностей структур1ю-иерархическо1-о метода, реализованного к вынюна званпым задачам, а так же невозможность нрямого применения этих реализа ций к задаче структурного нроектироваиия ИИС.

Во второй главе рассматриваются онределённые вопросы теории синте за первоначальной структуры системы на основе кате1"орий;

применения структурно-иерархического подхода на графах нри нроектировании еложной ИИС е разбиением иа уровни иерархии;

поиска онтимальиой структуры;

опе ранды, исиользуемые при автоматизированном ностроении структуры;

при мер преобразования элемеигарной функции в граф;

наконец, пример проекти рования структуры ИИС для исиытания и контроля элементов ппевмоаппара туры с представлением в виде графа.

В третьей главе речь идёт об асиектах множеств, лежащих в оенове по строепия моде]п1 данных для хранения и авгомагизирован1юй обработки, при ведено описание наиболее важнейших ajn оритмов, иcпoJн.зoвaнныx нри по строепии автоматизироваиной системы, блок-схема методики, с использова нием частичной автоматизации.

Четвёртая глава иосвящена двум разновидностям метрологического анализа: для структур нроектируемых ИИС и для шн'оритмов автоматизиро ванной системы, разработанной и рамках данной работы, реализованным на языке высокого уровня. Предложена методика нриблизите:плюй оценки но грешности нроизво;

пной структуры и ногреппюсти модулей на азноритмиче ском языке на основе ноиска онтимазН)Ной структуры. Получены уравнения относительной иогреннюсти для нреобразования графа в двудольный вид.

Целью работы является создание HawajH.HoM алгоритмической базы для ностроения нрограммных автоматизирова1нН)1х систем, нредназначенных для структурного нроектирования сложных l1нфopмalI,иolHlo-измepитeJHJHЫx сис тем и их метрологического анализа.

ITojiO/Keiiiisi, выпосшмые на защи ly:

1. Алгебраическая моде;

н структуры liMC для функционального и иерар хического нредставления, шн'оригмическая модель представления структуры и агшарат её нреобразования.

2. Алгоритмы нрограммных модулей и нри1Н1ины их функционирования.

3. Метрологический aиaJн^з структуры с iipoH3BOJHHo заданными значе ниями погрешностей и 11олуче1н^е аналитических зависимостей HOipem ностей в азн^оритмах ирограммы.

4. Pe3yjH/iarbi экснерименгов, нод1вержда1онщх нравильность разработан ных ajH'opHTMOB и методик.

К) ГЛАВА 1. АКТУАЛЬНОСТЬ РАЗРАНО J КИ И АНАЛИЗ НЕКОТОРЫХ НЗВЕСПН,1Х НА НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ НРНМЕНЕННЙ СГРУКТУРНОГО НОДХОДА 1.1. Нроблсмы и исрспскгивы сиигеча сложных систем 1.1.1. Сложность нроцссса нроекгирования 6OJHJHIHX систем Сложность ироцесса нроекгирования бо]ии1их систем состоит в необ ходимости удовлетворения всем их свойствам, что обеснечивается только с позиц1и"1 системного нодхода. Слнлсл нодхода выражен в |16, 17, 22], где го ворится, что мcтoдoJюгичeeкaя сиецифика системиого нодхода оиределяется тем, что ориентирует исследование на раскрьггие целостности объекта и обес печиваюпщх механизмов, на выявление многообразных тинов связей сложно го объекта н сведение их в единую теоретическую картину.

Что за много образие тинов связей имеется в виду, CCJHI речь, нанример, идет о ироек тировании сложной унравляюнюй электронной системы? В данном случае управляюн1,ая система должна реализовать требуемьн'! алгоритм, что оиреде ляется функциональной структурой. Она осуществляет нереработку внут ренней ииформации в условиях стыковки блоков с разными тинами ко дов, представляющих эту информацию. Эффективность работы системы в немалой степени будет зависеть от надежное!и этой системы. При всех ус ловиях стоимость системы должиа быть ми1нша]нл1ой, а ногрениюсть вос произведения закона унравлення — в рамках донустимой. Таким образом, вы страиваемая система отфеделяется структурно-функциоишнно, но надеж ности, но информационному, точностному и стоимостному критериям. А нри необходимости могут появиться и доиолиите:нные нодходы. В этом случае наиболее обнщм, т. е. даюнцш нрямой ответ или допуекающим применение дополнительных формшнлнлх средств, следует считать аннарат теории мно жеств, алгебраических систем, теории 1рафов и теории категорий - все, что можно объединить одним онределением - аннарат структур с раснреде лением функций.

Так же, как и исходная задача — нроектирование больншх систем, на званный аннарат донускает иерархию HCHOJH.:}OBaHHH. Так, теория множеств и алгебраические системы эффективн11 нри моделировании техиических ус ловий и aHajHi3e границ нараметров и критериев. 'Ич)рия категорий исиользует ся на начальных стадиях синтеза струкчуры системы, а теория фафов нозволяет выбрать онтнмшилюе рен1ение с требуемым критерием.

Обобщённый нример многоканальной ИИС ;

щя технолопетеских измерений машинострои'тельного нронзводетва с структурированием информации но уровням представлен на рис. 1.1.

тл,. ОБ ОБ ОБ.т D, D,0, КЛНЛП N клили к 4 -Г клилл кпмлл клилл М КОМ* мзиер.

Е HHTGP'I'Fl-IC г-йур.

Z34M' I л.

1-йур. С^ЦДЦО! t Рис. 1.1. Пример с'фукгуры машиностроительной ИИС для технологических измерений.

Структуру данной ИИС можно представить в виде направленного графа (рис. 1.2), который будет тождественен структурной схеме, но с учётом па правлений нередачи информации будет нодробнее отображать структуру промьпнленной ИИС.

ОБ »\М2) 06 М(МХ) \ А. А. А: А / ' / /п / ' /i ' V / V' I \ \ M:u'h / / \\ ит_цг.|) / Ч HT.KN.i) / V-. ИГ.211..) / f\\ "U'^H/ jv И1.м,ч, / \AnLM(2.uy 'u ит.«:киу \\ \\ ит_цг.11 -^ '^ - - •• • -^ ^• • •'Mr_1iNV \Л^J^\^.п) '.m ?(17|/ Hf_?i1,h 1Г_«(2И)' Л^ Ml?(i ИТ.1{1,1) \иТ_1(1,г1. HI,1(Ijii •.HT,1i2,:'h' ИГ^цгл) m_?!V.'i H'JI;

'!.'. HI^IC^). И1.7|ГЬ| MI^MII.?»- ИГ.М(1.Г) HI.W(K2K HLMlKJ i /• • / \ i KtM Kit 1(1 2] ! i KH2 КК 1(1 N) ;

KH bXH3KH_2i2.1, ;

| K H 4 KH_?I2.2) KH,2.1Ni I / KHfi KH,MfM.1) I-KH7KH_M|M2) у • KtlStl. М'МЛ» y^''"^ KH_Mi11i)KH_M(11.IIJ KH_i(it.N) Рис. 1.2. Схема информационных потоков ма111инос'1роите]нной ИИС для технологнческих измерений.

Подразумевается, что на основе структурного нодхода существуют ме тоды проектирования yникaJHJHoй, сложной измepитeJПJH0Й системы. Здесь подразумевается, что система имеет yникaJH,ный (нестапдартпый) характер, определяемый прежде всего нредметной областью её нрименемия. Определе ния и свойства сложной системы онределены в [16, 17, 56]. Следует заранее сказать, что речь дш1ее будет идти именно о сложных, измерите:нпых средст вах (ИС), включакмцпх в себя множество каналов сбора информации, систему предварите]нной обрабочки, само обрабатываюн1ее уетройство (нроцессор), устройство хранения и передачи обработанной информации для программной обработки или управляюпщх механизмов. Подобные ИС могут найти нриме нение в крунных инфopмaциoннo-вычиcJпттeJH,ныx комнлексах (ИВК), ип формационно-измеррттельных системах (ИИС), информационных системах управления технологическими нронессами (ИСУТП) нромышленного мас штаба. Эту методику так же можно иснользовать для нроектирования малых систем.

Все сложные измернте;

н1ные системы можно pa'uiejHirb на системы пря мого применения и встраиваемые сисчемы. Системы прямого назначения не посредственно iiauejieHFji на нро15едение измерений, имеют отдельное конет руктивное исполнение. Встраиваемые системы — работают в составе других сложных объектов - других ИИС (нанример, встраиваемые сисгемы диагно стики [68]), а так же самолётов, подводпых лодок, космических объектов и т.

Д.

H3Ha4ajHH0 полученная структурная схема часто бг,ншет избыточной из за ншн1чия избыточных связей, 6ojHjHioro количества функниопальных ком понент (нодсистем, бзюков, нлаг), влияющих на o6niyio (|)ункпиональноеть, что приводит к доно]ннгге]н.н1.1м источникам иогренпюстей. Объединение компопент одного уровня нриведёт к ноя15лению новых функпиона;

н5ных эле ментов, с другими метрологическими характеристиками, которгле окажутся лучше из-за отсутствия интерфейсных С1}язей, которые так же влияют на по грешноеть и лучнюй конструктивной peaJипaпии.

В результате нроведения этого действия нервоначально снроектированпая структура может нретерневать значштанные изменения, связанные с измене нием количества комнонент и связей, нричом, чем 6ojH.nie комнонент в нроек тируемой счруктуре ИИС, тем больню вариагггов онтимальиой системы может быть нолучено. Здесь уместно говорнть о нрименении комньютерной иод держки в рамках автоматнзании, облегчающей выбор вариаитов будуи1ей структуры с учётом раснределения сун1ествуюпщх но аннаратпым компопеп там фупкций. Для реализании необходим ajH'opHTM, нредетавление иеходных данных для обработки данных соглаено этому алгоритму и аннаратное техни ческое средство, вынолняюн1:ее этот aJHоритм.

1.1.2. Известные методы проектирования Наиболее из15естны следующие методГ)! проектирования: ноиековый, компоновочный, комнозинионный. Каждьн! имеет свои достоинства и недос татки, и нрнмененис каждого зависит от ко1иретного случая нроектирования и свойств нроектнруемого об'ьекча. Возможно и сочетание методов нроекти ровання (композиционный метод).

Метод ноискового нроектирования. Применяется на ранних стадиях проектирования, таких, как формулировка технического задания, разработка технических предложений и эск1гзное проектирование. При этом методе сна чала решается задача иоиска наиболее эффективного физического нринципа действия системы для конкретных условий и требоваиий, задачи выбора и по иска наиболее pauHoiiajH^Horo технического ренюния ири заданном физиче ском иригниню действия, наконен, оиределяюгся oитнмaJHJHыe значения па раметров заданного технического ренюния. Вынюнеречисленные задачи мож по реишть как систематически, '1ак и эвристически. Применяется этот метод при проектировании систем, состояищх из нсболь1ного числа блоков, жела тельно, чтобы некоторые из них име;

н1 ирототины. У этого метода отсутствует чёткий математический аииарат для представления иодсистем на разных уровнях иерархии. Этот метод не нодходит в качестве базового нри нроекти рова1нш сложнглх измеритeJHЛИJlx систем.

Метод компоновочного нр()ектирова1Н1я. Состоит в том, что эвристиче ским нутём, cyHtecTByioHuie структуры и]Н1 блоки, которые можно об7единить (осуществив некоторые изменения), комнонуют в едииое нслое. Этот метод труднее всего поддастся автоматизации.

Метод комнозицнониого тфоектировання. Основан на решн1зации нро цесса нространственно-структурно-параметрической самоорганизации модели разрабатываемой системы, удовлетворяюн1ей нриня'тым условиям онтималь ности.

В последнее время распрострапенне получил структурный метод проек тировапия [55, 56]. Он основан на том, ч ю вначале нроисходит сиитез струк туры, нроиз1и)дится aHajHi3 ее элементов, онределяется критерий оптимально сти и после - оптимизация. Этот метод оче1и хороню иодходит для ироекти рования 6ojn,Hinx систем.

Проектирование - итерационный эвриетический ироцесс системного типа, в конечном итоге которого иоявляется блочно-функциона;

нл1ое распре делепие (Б(1?Р) и о\1тимашл\иш состав стругауры, составляется формула поль зователя. Под формулой позн^зователя здесь попимается оиисаиие об7)екта, ко торое может быть задапо по-разпому: в виде текста, ajn-opnTMa, ирограммы, чертежа, таблицы ami, что чаи1,е всего, комби{П1ровапо в традициоппо бумаж ном или электроппом виде. Главная особе1Н1ость нроектпроваппя - работа с ещё пе сун1схтвую1цим объектом.

В оби1ем случае измepитeJнлlaя система представляется как Входпые Выходцые Условия функцио воздействия воздействия иироваиия и функ • ция обработки Рис. 1.3. Паиболее об1цее иредставлеиие на раннем этапе проектирова ния для всех систем.

В соответствии с этим в нроцессе нроектирования онределяется ряд функций и условий функнионирования, сформулпрован1н1х нользователем.

Выделяются наиболее обнще требования к эксилуатации, геометрические раз меры, форма, оформление, входнг1е и выходные даппые, быстродействие и т.

д. На основании этих данных составляется техническое задапие (ТЗ).

Общее описание любой системы (в том числе ПИС) можно записать в виде:

S=X, Y, F, Z, где X - мпожсство входпых воздействий;

Y-мпожество отюп1ков па эти входпые воздействия;

Г' -мпожсство фyпкпиoпaJП,пыx паборов системы;

Z - множество условий существования системы.

В случае с измеритсльпой системой в качестве X и Y попимаются элек трические сигпалы, а в качестве V - их преобразователи (ЛЦП, ЦЛП, усилите ли, фиJПJтpы, фупкциопа]ппыс устройс тва и т. д.).

Под входпыми воздействиями здесь попимаются слабые электрические сигншпл от мпогочислепп1)1х датчиков, об'||едипёппых в сдипый измеритель ный капал. Этот сигпал подвергается pa3jni4nbiM видам обработки. Может об рабатываться как в апалоговом, так п в пифровом видах. Наиболее часто входпой сигпал имеет апалоговый вид, котор11Й потом может бьпь преобра зован в цифровой посредством Л1Щ.

Выходпые воздействия это упорядочеипый си1 пал, который может быть в аналоговой форме подап па элементы исиолняюпшх мсхапизмов, либо пере ведён в цифровую форму для хранения или носледуюн1ей обработки.

Множество функциошип^ных наборов системы включает в себя весь на бор унравляющих элементов, осун1ествля1О1цих автоматизированную обра ботку сигналов как нри нсносредствеппом участии по:пэзователя, так и без не го.

Под лпюжеством условий суп1ествовапия подразумевают ус]ювия экс нлуатации (температура окружаюп1,ей среды, влажиость, атмосфериое давле ние и т. д.), иарамстры напряжения иитания, возможные воздействия извне.

Эти требования должны отражаться 'ГЗ.

1.1.3. Онределение ироцесса ироектирования Процесс нроектирования сложной, гонологически расиределённой сис темы, охватывает широкий спектр действий от анализа технических требова ний (ТТ) и исходных данных до изгоговле1Н1я и иснытаний онытного образца — сложная, многоэтаиная нроцедура, с многочисле1ИИз1ми связями между раз личными э'1анами [55j.

Процесс нроектирования можно разбить иа HeeKOJHKO этанов. Внервые разбиение нроцесса нроектирования иа 2 этана было нредложено П. П. Бус ленко [16]. В нроектировании любого сложного объекта автор выделяет стадии — макронроектирова[Н1я и микроироекгирования. 11а стадии макроиро ектирования рассматривается выбор и ор1'анизация фуикций и структуры сис темы в целом, нреднолагаетея выяснение целей, ради которых должиа слу жить система, выио]И1Я1Отея осиовные реншемые ею задачи, исследуются свойства внеингей ереды и онределяютея характериетики воздействия её на систему, а гак же обосновываются, в pe3yjH,TaTe aHajHi3a этих дани11Х, техни ческие требования к этой системе и взаимодейетвие её с виеншей средой. Эта стадия может наз1.1ваться BIICHIHHM нроек1ирова1И1ем системы. Вторая стадия проектирования обозначается автором как микронроектирование или как внутреннее нроектирование еистемы. Оно связано с конструированием, оире делением нараметров элементной базы. Созданне структуры ИИС - макро проектирование.

1.2. Иримеиеиии структуриого подхода ири реи1ении задач проектировании 1.2.1. Суниюсть структурного подхода При проектировании еложных, тонологичеекн распределённых объек тов, будь то система связи, раснределёнпая система управления нреднрияти ем, система экологического мониторппга удобнее всего ncHOjn/joBaTi, идеоло гию «от целого - к части». Сначала аншпгзируется техническое зада1Н1е, тех нические условия. Затем очень npH6jin3niejn,no создаётся грубый макет бу дущей системы, определяются наиболее важные y3JHi и их функциональность.

Элементная база, из которой будет состоять нроектируемглй объект, выбира ется исходя из анализа ТЗ, или изначально задана. Далее нроисходит разделе ние макета (иазовём его системой) на нодсиегемы, из которых в свою очередь выделяют узлы, из них - устройства, из устройств - блоки, из блоков илаты, из плат - неделимые радиодетали, компоненты элемешной базы. Схематично это можно отобразить так:

1-й уровень.

Проектируемая система 2-й Подсистемы 3-й уровень.

Узл 4-й уровень.

УстроГ1ства 5-й уровень.

Блоки 6-й уровеиь Платы 7-й уровеиь. Комионенты элементной базы Рис. 1.4. Классическая древовидиая структура сложной системы.

Пмеет место древовидная иерархическая структура, которая является направленным графом, не содержащим ииклов. Такой граф легко формализу ем.

Конечно, семиуровневая иерархия, изображённая на рис. 1.2, носит очень условный характер. Это значит, что нри нроектировании реальной из мерительно!! системы число уровней иерархии может бьтть как 6ojHHie, так и меньше семи. Степень дробления на уро15ни иерархии зависит от сложности проектируелгого объекта, выбранной элементной базы, условий экснлуатании, условий и режимов фугнчционироваиия, иитсрфейса с ио]и,зователем и т. д.

При реализации измерительной системы на СЬИС указанная иерархия со кращается до структуры: блок — илаты — комнонент11 элементной базы.

Причём блок- 1 едииица, нлата- 1 единица, комноненты элементной б а з ы может быть до нескольких десятков и даже сотен. Разбиение нроектируемой системы выполняется до тех пор, пока пе будет доетигпут уровень выбранной элементной базы.

Иадо o'j'MeTHib, что структурный подход па графах может примепяться ко многнм прпюшдным задачам. Рассмотрим некоторые нз пих, и сопоставим, ночему тот пли нпой подход не может быть нрпменён к проектированию ИИС.

1.2.2. Применения структурпого подхода нрп проектиронапии аснозиавания графичеекпх пзображепий Наиболее точным при раеиознавании графических изображеиий являет ся структурно-иерархический метод, состояний в иредетавлеиии иерархиче ской ииформацин, содержан1ейея в каждом образе. Оп состоит в описывании образа нри помонщ более простых подобразов, а каждый подобраз спова в описаиии ен1,е более простыми подобразами и т. д. [102, 112, 121, 122, 124, 127,128]. Этот иодход осповап па апалогпи между иерархической структурой образов и синтаксисом языков. В рамках си1ггаксического подхода считается, что образы строятся из соединенных pa3JHi4H[iMn способами нодобразов.

Здесь можно увидеть сходстео между ироекгированием в том, что в компо ненты ИИС верхнего уровня иерархии входяг соогвегствуюнще комноненты нижних уровней. В случае с нроектированием нод аналогиями с нростейншм нодобразами попимается элемептпая база. «Язг^ж», когорый обеспечивает структурное ониса1ше образов в терминах множества ненронз1ЮД1нлх элемен тов операпий комнозипии этих элементов |108-110|, ино1'да называют «язы ком онисаиия образов». При нроектировании ИИС иет необходимости ис нользовать {акой язык, носкольку сами комионенты каждого уровня реализу ют все вместе изнача]нлк) заданную системиую функнию. Пронесс раснозна вания осун1ествляется после идептификации в объекте ненроизводных эле ментов и составления оиисания объеюа. Раснознавание состоит в син таксичееком aHajHi3e, или грамматическом разборе, «предложепия», описы вающего данный объект. Эта нроцедура устанавливает, являетея ли это пред ложение сиитаксически (или грамматически) ирави;

н,ным но отношению к заданной грамматике. napajuiejHnio егрупурпый aHajHi3 дает некоторое струк турное описание нредзюження (обычно в виде древо1шдиой структуры).

Структурный нодход к раснознаванию образов дает возможноеть они сывать 6ojn^Hoe множество сложпых объектов nyicM иeпoJH)Зoвaния неболь шого множества ненроизводных элемегггов и грамматических ирави;

г (нанри мер, использовапие рекурсивпой природы 1"рамматик).

а а а - г~\ a b e d b г b (а) с с с (б) Рис. 1.5. Менроизводные элементы нрямоуго:пника.

Правило нодстановки может бьггь применено любое число раз, так что оказывается возможным очень компактпо выразить некоторые основные структурные характеристики бесконечного множества нредложений. Анало гично, нри структурном нроектировании ИИС можно исиользовать функцио нальный элемент какого-либо уровня HCCKOJHJKO раз (нанример, в многока нальных ИС). Практическая нолезность гако1о иодхода зависит, конечно, от способное™ раснознава'1ь непроизводные элементы образов и их взаимные отношения, выраженные операциями композиции. Pa3jni4Hbie огно1пения, он ределенные между нодобразами, HJHI оиерации композиции, обычно могут быть выражены логическими и (или) математическими операциями. Нсли, на нример, в качестве единетвенного отнонюния (оиерации комнозиции) для описания образов выбрать «конкатенацию»), то нри ненроизводных элемен тах, показанных на рие. 1.5 (а), нрямоугольник, изображен1п,1Й на рис. 1.5 (б) будет нредставлен ценочкой aaabbcccdd. Точнее, eejm иснользовать знак плюс для обозначения онерании «коикатенаиия начала одного элемента к концу другого», то прямоугольник на рис. 1.5 (б) будет иредстаилеп предложением a+a+a+b+b+c-lc+c+d+d.

На рис. 1.6 приведён более сложный пример -с исиользованием не производных элементов и структурной иерархией.

Подобраз С с Рис. 1.6. Структурное оиисанис цифры 9.

Отличие нроцесса проектирования от ироцесса раснознавания состоит, во-первых, в отсутствии первопачальпого об'ьекта иреобразовапий, во-вторых, наличием миожеспш вариа1ггов для реазнпации функций проектируемой сис темы в виде структур, когорые можно иодвергать оптимизации, в результате которой изменяется первоначальный 15ид. В случае с раснознаванием ириме пение оптимизании структуры недопус'1имо, г. к. Э1о можег исказить точпый смысл распознаваемого изображепия.

В пастояп1ее время структурно-иерархический метод ирп раснознавании изображений реализован как нрограммпо, так и аппаратно. Все существую щие системы распознавания изображеиий, когорые разделяются на системы оптического распозпавапия символов (OCR-системы) и системы векторизации растровых изображепий (прпмером может елужи гь VHC IVY). Для таких сие тем характерно то, что возможна HOjniaK автоматнзация нроцесса раснозиава ния: ввод растрового нзображсння из файла ипи со сканера - заданно нарамет ров распознанання - раснознавание - автоматическая нроверка нравонисания корректировка результатов - сохранение. Для корректировки конечных ре зультатов в OCR-системах служит текстовый, а в векторизаторах - векторный графический редактор. Распознавание может вестись и в режиме обучения, когда иользователь распознаваемому объекту сам назначает эталон, храня щийся в базе.

1.2.3. 'Гонологические методы иа графах ири конструировании иечатных нлат Структурные методы, основанные на теории неорие1ттирован1н1х гра фов, находят применение ири компоновке и трассировке нечатных нлат [25, 31,38,44,45].

Топологический метод трассировки состоит в том, что схему электриче скую припциниальную, в соот15ететвии с рис. 1.2, падо разбить на число подсхем, таким образом, чтобгл на нредноследием уровие иоявилась техноло гическая ячейка (печатная нлата). Напрямую прослеживается прямая анало гия с нроектировапием, 'TOJH^KO на этане создания копструкнии, когда входны ми данными является схема электрическая пpиппипиaJи.пaя. Далее на этой плате размепииот комнонепты элемеп'тной базы (колнюповка) и соедипяют их контакты проводниками (трассировка). Исходиый фрагмент схемы представ ляют в виде неориентировагнюго графа. Далее ироверяют условие планарно сти графа. Если оно выно]Н1яется, схему можно разместить, в противпом слу чае производят разбивку на нланарные 1рафы, число которых будет равно числу слоев платы. Связи этих плапарпых графов есть переходы между слоя ми. Коордипаты вернши иеходпого графа заданы изиачальио - это координа ты расположения электронных компонентой. На оснонаннп данных компо новки и трассировки формируется чертёж печатной нлаты.

Топология нредставления элементов здееь такова. Исходный граф схе мы электрической нpнпниниaJп,Iloй - неорне1ггирован1Нп"1, чап1е всего не пла нарпый, в котором элементы схемы - верннннз! графа, а связи - рёбра. При разбивке исходного графа на некоторое число нланарпых репшются многие задачи оптимизации - минимизируется лпншх нрово/нп1ков, но возможности;

определяется минимум переходов между слоями;

лпипшизируется число из гибов;

пакопец, определяется MnnHMajn^iioe количество иечатных илат. При этом верпп1ны графа не имеют никакой функниона;

нной еупцюсти. И хотя каждый элемент несёт онределёпную фylн^:ниoнaJн,нocть, в этом случае она не учитывается. В то время, как нри нроекпировании структур ИИС репшются задачи oHTnMajHHoro выбора структуры, BJПlЯIOппle на функциональный порт рет, когорьп! в случае трассировки neiipneMJHiM, HocKOJHKy схема исходно за дапа, в то время как на сиетемном этане нроектирования ИС нет ни схемы, ни окончательного варианта самой структуры.

• В настоян1ее время структурно-иерархический метод нри нроектирова нии печатных нлат реализован программно в ПС I'CAD, ACCEL. Последние версии этих программных продуктов нозволяют фрагмешировать исходную схему. Процесс ироектирования включает в себя: В1юд схемы электрической в вектор1юм редакторе схем - разбиение её на фрагме!гты - комноповка (разме щение элементов па печапюй плате) в cnenHajnnoM редакторе - припятие па раметров трассировки iro умолчапию или задание своих (нараметры по умол чанию пазпачаются при anajni3e схемы с точки зрепия мпоговариаптпости он тимальпого критерия) - собственно, трассировки - корректировки результатов трассировки - сохранении pe3yjn)TaT0B. Режима обучепия здесь пет. Даппый процесс можпо повторять по необходимости нужное чис]ю раз, нока не будет достигнут OHTHMajnnbm резу;

нтат.

1.2.4. Топологические методы на графах при проектироваиии распределённых сис1ем экологического мониторинга (СЭМ) СЭМ нредставляюг собой технический об'1)ект с функниями контроля, прогноза и унравления экологическими ироцессами.

В [71-73, 84] определены важнейпше груниы задач технологии проекти рования СЭМ. Это:

- рациона:н^ная организация архи гекгуры сисгемы;

- рациональная органнзация взаимодействия системы с внешней средой и отдельными об7^жтами унравления, формирование законов унравления;

- алгоритмизация законов унравления.

В [70] ноказано, чго при создании мегодического информационного обеспечения СЭМ иервоочередными задачами являются развитие и реализа ция системного подхода к рассмотрению объектов и задач расчета.

В общем случае система мониторинга может быть представлена копст руктивной, функциональной и алгоритмическими структурами, при этом должиы быть решены задачи оргаиизациоиной, конструктивной, метрологи ческой и информационной совместимости.

В подобных системах осиовонолагаюн1им является их надежность, дос товерность н онеративиосчь, ибо эко]югические нарун1ения без названных критериев у систем мониториига могут привести к иенонравимым иоследст виям. В осиове нроекгирования нодобных систем исио]Ц)Зуетея теория по строения гибридных измepитeJнлю-вычиcлитcJИныx комнлексов [70].

Существует несколько структур раснределепных систем, приведенные в [22]. Это структуры с нолной связное! ью, структуры с коммутацией потоков, регулярные сгруктуры, нерегулярные структуры, иерархические структуры, структуры тина «нетля». В каждой из рассмагривасмых структур, процесс пе редачи информации включает HCHOJH/iOBaiiHe составного многоступенчатого канала в случае однократной передачи.

При выборе наилучшей ечруктуры значение имеют ие только етруктур ные комнонеиты тина блоков, но и енязи между ними. В этом елучае, если граф качества оиределяегся но иаросочеганиям, lo структура, отвечаюищя максимуму иаросочетаний, онтнмальна с точки зрения сложности функцио нальной нредставнмости отображений в ироектируемой системе.

Объем сигнала и стснень [Н1формацно1Н1ой динамики - вот параметры, определя1он1ие структуру измерите;

нзных систем. Эти же нараметры должны онределять и нронесс структурного синтеза - ИИС с раснределенной тоноло гией.

В СЭМ, 01ин1ча10Н1ихся расиределённой структурой, необходима иерар хическая координация информационных нотоков, так как измерительная ин формация может нодвергаться pa3JHi4HbiM нреобразованиям и быть нроанали зированной с различнг1х точек зрения, с номощыо pa3JHt4Hbix алгоритмов.

Здесь речь идет об использовании информации, нолученной в данном кон кретном месте или на уровнях более высокой иерархии.

Это нриводит к необходимости исиользовация адекватцых измеритель ных средств, что и даниом случае соответствует трансформации измеритель ных систем в измерите]н,но-вычислитсмн,11ые сети (И1?С), которые обесиечи вают требуемую нерархрно взаимосвязи, которая может еун1ествовать между отдельными нзмеритезц,ными нараметрами, их груннами, а также в их сово купности в целом. Сиециа]нная обработка измepитeJИиыx сигналов может осуществляться микронроцсссорными блоками.

Из этого видно, что у измерите;

н.ной информации есть иерархически связаниые цoJизoвaтeли (объект измерений - участки - цеха - главцые спе циалисты - директорат - руководство - района - руководство региона и т.д.), которые из одной и той же базовой 1Н1формации используют сведения, отличающиеся и формой тфедставлеиия, и целевыми иоказателями. Изначаль но заданы места котпроля, а ири ироектированин ИИС это fie всегда актуаль но. Значит ajH4)pHTMH4ecKoe обеспечение каждого иерархического слоя будет различным. Здесь опять нрослеживается иерархия, тoJИкo при нроектирова Н И ИИС (рис. 1.2) имеется движение сверху - вииз (от иодсистем к элемеит И ной базе), а здесь - снизу вверх (от установки к руководству вьи11естояи1его уровня). И в данном случае следует отметить суи1ествование технических особенностей нередачи сигналов с носледуюнщм сжатием и восстановлением информации. При этом с цезило уирон1ения нроцедуры сжатия восстановления ее следует разбить на oтдeJннlлe носледовательности (в от дельных случаях связанных иерархически) иреобразоваиий с соответствую щими алгори'1"мами.

Построение структуры ИВС в соответс гвии с идеологией, изложенной в [70,71], нреднола1ает иолучеиие онератора И15С. Иерархическая координация информационных потоков осун1ествляется за счет коммутации, которая осу ществляется ири ограничениях, имеюнщх метрологический характер. Поэто му синтез ИВС исиользуе'1' сведеиия о метрологических характеристиках коммутациоиного узла, обеснечиваюи1его связь измерительиых трактов с се тью нередачи данных. В основном проектирование СЭМ сводится к выбору и комбинации соответствук)нц1х структур [22] в зависимости от географических координат места контроля и развёрнутому проектированию коммутациоиных узлов, а нри нроекгировании ИИС идёт нроекгироваиие структуры с нуля, и цроек'гируется каждый элемент структуры, CCJHI задан1юе фу11кциона;

нл1ое на значе1И1е не нозволяет выбра1ь сгандартный. Именно ноэтому данный нодход, не смотря на явную схожесть с системой ИИС, имеет евои снецифические особенности и не может быть нрименён но;

пюспю к нроектированию.

Автоматизированных систем для глобалг.ного ироектирова1И1я етруктур СЭМ нет, равно как и для нроектирования ИИС. В обн1ем виде ироектирова ние сводится к выбору струкгургл информационной сети в соочветствии с из вестнымн структурами, из [22], расчёте линий связи и разработке устройств обработки сигналов с HCHOjn/ioijaHHCM нрограмм1Н)1х иакетов, иредиазначен ных для проектирования элекгроиных устройств обн1,его назначения.

1.2.5. Топологические методы при ироектироваиии диалогов человеко машинных систем и ири смысловом распознавании текстов.

Человеко-машиппый диалог включает в себя ироцесс обмена информа цией, процедуру обучепия эгому процессу и все ингеллектуа;

нные функции, необходимые для этого процесса [68, 70].

Посредником между человеком и сложной кибернетической системой есть язык, представляюнщй собой сложпую лнюгоуровпевую структуру, в ко торой языками крайних уровней являются входной (выходной) язык человека и внутренний яз1н представлений человека. Па :)1ом языке системы человек предегавляет смысл информацни, Hcnojn/зует его сгруктуры для постановки целей и формирования стра'1еп1Й их достижения и т. д. (нрагматика языка) 187].

При нреобразованни входного (выход1юго) язьна на внутренний могут иенользоваться промежуточные языковые уровни, например уровень, на ко тором отражаемся синтаксис языка (с семантикой). Па таком иромежуточном уровне отождествляются различ1Н1е язглковые обьекты (на pa3jni4nbix носите лях) и в дальнейн1ем HcnojH:.3yei одни и те же способы их преобразования на семантический язык |62, 78].

Память диалоговой сисгемы должна сосгоят!, из достаточного набора фрагментов, позволяюншх сисгеме отражать всевозможные веп1и впеннгей среды, а так же смысл этих вен1ей и формировагь выходные воздействия, на пример нред;

южения естественного языка. Для математического онпсапия структур памяти удобгюе иснозн:ювать язык графов |66].

G-графом называется такой граф [39-40], в когором верншпы делятся на два ненересекаюпщхся множества: У-верн1ипы и \У-вернп1П11, и в котором вершины связываются ребрами четырех Т1нюв. 11рп этом каждая У-верншна может соединяться с множеством W-BepHHiii, а каждая W-вершина еоеди няется ребрами различных гинов TOJHKO С четырьмя W-верншнами. Па рис.

1.7 (а) изображен фрагмент G-графа, состояний из четырех У-верншн х, у, z и r\ и одной W-BcpuiHiibi W,|. 11ри этом W-BepiiiHna Wt связана с х, у, z и г| ребрами различных тннов. Для указания типа исиользуются нанравления ре бер: Wt связывается с х ребром, выходящим из \„ с z — входянщм, с у — не ориентированным и с Г] ребром с двумя стрелками.

Вершина ц тут является унравля1ои|,ей. Во-первых, она елужит для управления фрагментом, т. е. она может находиться п иекоторых состояниях, которые онределяют, можно ли иснользовать системе даииый фрагмент или нет. Рхли системе всегда разрешаегся HCH0JH,30Baib фрагмеш' x(y)z, то будем изображать и занисывать его без г\, иодразуменая ее иа;

и1чие. Таким образом, с П0М0Н1Ы с тх.

о х X 6) Рис. 1.7. О^рагмент G-графа.

вершины г\ можег выделяться множеетво фрагмегггов (область иамяти), кото рую система исиользует в текущий момент.

Элементарньш фрагмент можно изобразить в унрошенном виде (рис. 1. (б)). Здесь веришна ц является указателем и сокран1еино обозначается нервы ми буквами отношений: НИ — находиться справа и т. д. Такие фрагменты ([x(y)z]) иснользуются для отражения внени1ей среды, которая состоит из ве щей. Система в нроцессе отражеиия ycTaHaiJjrHBaeT отнонюния между вещами (факты наличия опюнюний). Тогда вен1ам и отионшииям ставятся в соответ ствие У-верн1ины х, z и у G-графа: У-нерншпы х и z фрагмента ([x(y)z]) ста вятся в соответствие ненщм, а вершина ц — отношению между ними.

G-графы - мoдeJШ, отраже1шя внешней среды. Они являются знаниями систелнл или образуют семантическую намять и могут нрименяться для пред ставления различ1юй информации и всякой совокунности вещей, которые рас сматриваются человеком как единое цeJюe, ста15ится в соответствие одна вер шина G-графа I39-40J.

Память системы должна обладать 6ojn,HHiMH возможностями нредстав ления различных совокунностей, но содержать TOJH,KO вернн1ны, соответст вующие разумным HJHi нуж1н.1м совокунностям. Она может содержать в намя ти раз;

шчные мгюлшства вершин, что онределяе;

ся нроцедурой ее обучения.

При смысзювом аншн1зе формируется 'Г-граф, который состоит из фраг ментов G-графов и отражает смысловую ин(1)орманию в рассматриваемом предложении. Для одной и той же системы существует множество 'Г-фафов, хотя в намяти каждой конкретной диалого1К)й системы в данный момент вре мени находится только один 'Г-граф, который определяется процедурой ее взаимодействия с данной всиило или диа]югом.

Текстовая информация иа естественном язьне с номопн10 Г-графов мо жет быть представлена с раз]шчной степенью дeтaJшзaции на различных уров нях семантической намяти (СП) или ее чаетей: основной семантической намя ти Т или входной (Т"^) и В Х Д Ю Ы 0 1 Й (Т"'"''') намятью. Пижиим уровнем памя ти СП (представления) являются Т-графы, верннцн1 которых нодсоединены к выходам воспринимающего устройства, а верхним — '1'-графы, соответст вующие смысловой информации. Иа иижних уров11ях намяти СП отражаются прострапственпые и BpeMeiHii.ie отноиюния между венщми (между JHЦlиями в буквах или между буквами в словах), а также элементарные качества вен1ей (цвет, форма и др.). Это сродни раснознаванию графических изображений.

При этом нрисвоение ролей веищм и установление отнон1ений между ними производится в процессе восприятия и связывается с вынолпепием опреде ленных исследовате]нских онераний: неремеи|,ением органа восприятия из одной точки пространства в другую (формируется отношение находит1)ея сле ва, находиться снрава и др.), детализанией воснринимаемой вещи (формиру ется отношение часть-нслое (чц), переносом внимания на качество воснрини маемой вспщ (формируются указатели быть свойством (б. ев) и др..

Возможны различные способы предсгавлепия текстов, где текст разби вается на различные элементы: предложения, словосочетания и др. Элементу ставится в соответствие вершина, коюрая с помощью отпошения часгь-нслое (чц) шш с помощью указателей (эл. i) С15язьп}ается с верпшнами, соогвет ствуюнщми частям элемента. Разбиеиие на элементы может нроизводнться но пробелам, но разделя10Н1им CJЮвaм (союзам «но», «а» и т. д.), но знакам нре нинания и др. Выбор способа разбиения (сегмснтании) текста и указателей определяет способ нредставлсчщя.

Ма следующем уровне памяти СП текст представляется в виде связан ной совокунности элементов {спои, cJЮвocoчe'Ianий), еоотпесеппых с онреде леннымн классами. Каждый такой класс определяется вопросительным сло вом, которое будем записывать в качестве указателя. В этом случае лексту Е ставится в соответствие Т-гра([): W'li!(qi)W'D|(q2)W'D2...(qni)W'Dni, где Чь Ц2,---,Чт припадлежит пабору фраз кто, KaKoii, п т.д.

W'E из чего что „,1 W блоки W состоять Рис. 1.8. ФрагмеитТ-графа.

W ' D J — вершина, которая ставится в соответствие элементу Dj (вместе с относящимся к нему предлогом). Например, иредложению Ei (ЛJH'opитм со стоит из блоков) ставится в соответствие Т-граф рис. 1.9, который записыва ется в виде выражения W Е (чго) W шн"оритм(как относи гея) W состо ять(из чего) W' блоки.

CyHtecTBycT много форм нредставлеиия Ч'-графов. Панример, вмеето указателя как относится, можно иснользовачь yKa:ja'iejn, что делает и г. д., так как Т-графы соответствуют 'текстам и отражают смысл текстов. Пеоднознач ность их нредставлсния допустима. Выбор способа нредетавления осу ществляется самой системой в нроцессе ее обучения.

Построение таких Т-графов нроизводится сегмеитапией текстов (разде ления па слова и с]ювосочета1П1я) и сопоставлением каждому сегменту CJЮвa, которое может заменять данньи*! сегмент.


Па более высоких уровнях отражается слп1сл текстов. При этом CJЮвaм Di, D2,...,Dm и текстам Ti,T2,.--, 1 п став^пся в соотве1ствие Т-верпшн11 другого класса, которые обозначим через 'Di', 'D2',..., 'Dm' и 'Ti', 'Т2',..., 'Tn' (где 'D\ обозначение V-Bepunnni, соответствуюп1ей вепп! с имепем Dj а Tj - соот ветствующей ситуацпи, оинсанной в текете Ti). 1 la этих уровиях отражаются некоторые вну1реп1ше отпоп1епия: быть нрпчииой, быть субъектом, быть объ ектом (б.об), бьтть свойством (б.ев) и др.

Между рассмо'тренп11мп уровпями может сун1ествовать миожество про межуточпых, которые определяются структурой Т-графов пизп1их уровпей па более высокие. Каждый уровень намяти С\ I може']' исиоль'юваться для фор мирования своих обобпленных Т-графов. Панример, на нижнем уровне такие Т-гра(1)ы могут отражать установивпшеся последовате]п,поети элементов язы ка (букв, слов). Па более высоких уровиях o6o6ni;

eninjie Т-графы могут отра жать тпповые связи каждой верпшпы и типовые структуры памяти.

Главное опп1чие от процесеа проектировапия состоит в том, что перво начальный обьект задан, и как и изображение для распозпавапия, пе должен подвергаться онтимизапии с UCJH^O сохрапения нервоначального смысла, в то время как при ироектировании этого ен1ё нет. При распознавании и анализе имеем дело с конценцией «декомпозиция-декомпозиция», а при ироектирова нии с композиция-декомпозиция, т.е. сначала заново создаётся структура нод системы, узлы, блока, оптимизируется, гююм иодвергается разбиению с це лью вглявления составных комнонентов, нрисутсгвуюнщх в элементной базе.

Для проектирования достаточно простой базы данных элементов, а для смы слового анализа - набора иерархических коиструкгщй грамматических правил языка, па котором ведётся иредставле1Н1е тексга вплоть до уиравляюншх ко манд, иоказываюнщх, как данные cjmBa от]юсятся в том или ином нред]юже нии и нонутно создавать базу данных незнакомых слов с вариантами оконча ний. В нроцессе нроектирования ПИС такое тоже возможно.

Структур1ю-иерархические методы при смысловом анали зе/рас нознаван и и текстов получили реализацию нри ностроении комиилято ров, систем мапнннюго перевода (СМП), систем проверки орфографии и кор ректировке текстов. Здесь можпо назвать из СМИ снстемы STYLUS, PROMT.

Процесс перевода вюночает в себя: задание исход1юго текста (из файла, в тек стовом редакторе или нанрямую из OCR-систсмы) - нодключеиие словарей с грамматичеекими конструкниями - зануск iiepeiuvia - корректировка результа тов - сохранение. Здесь неревод осуществляеч'ся автоматически, без режима обучеиия. Обучение можно производить, добавляя незнакомые слова и конст рукции в имеющиеся словари, а так же нодключая новые, когда система не задействована в нереводе.

1.3. Посгаповка задачи Иерархия проектируемой сложной еисгемгл имеет вид, изображённый на рис. 1.4. Каждая вершина этой структуры есть граф. На нервом уровне древо видной иерархии грае]) ееть граф системы. iJa втором уровне этот граф систе мы распадается на нодфафы подсистем, нричём чпсло нодграфов равно числу вершин графа системы. На третьем этане каждая верншна каждого нодфафа разби1шется enie па граф. Так продолжается до тех пор, нока в вершинах графа нижнего уровня не обнаружатся неде;

шмые электронные комнонепты. При таком движении сверху вниз паб]подается уменьп1епие еложности функнии от целой системы до неделимо! о электронного компопепта. При этом произве дение функционалов каждого уровня будет одинаково н равно обн1есистемной функнни. Очевидно, что для чамены вершины графа другим фафом применя ется онерация расширения. Па каждом этане нрименяется онтнмнзация графа по модифицирова1Н1ому алгоритму Бёржа для иолучения онтимальной струк туры.

1.3.1. Подходы при нроектпрованни и'5мepигeJн.ныx систем и обоснование нримсиения автоматизации при структурпом проектировании ИИС При нроектированни объекта сложной раснределённой системы типа ИИС, ИВК можно идти двумя нутями. Первый заключается в том, что строит ся пробный макет системы па основании дан1н1х ТЗ, нроверяется его работо способность, а затем осун1,ествляется нодборка и/п;

ш peryjHipoBKa отде;

н^ных блоков, которая, в свою очередь, нриводит к подборке и/или регулировке взаимосвязанных комнонентов. 'Гак ностунают до тех нор, нока функциониро вание сложной системы буде'1- такое же, как и заданное в ТЗ (56|.

Недостатки данного нодхода связаны с 6ojHjinHMH матсриа]пными за тратами, зависимостио результатов нроектироваиия от проектного коллекти ва, отсутствием нреемствепностл.

Второй нуть связан с формализацией проектирования на всех стадиях.

Стадии проектиро1шния должны быть адекватно (})ормализованы. При этом на уровне нодсистем - один аинарат формализации, на уровне блоков и иодбло ков - другой, на уровне тиноиглх элементов заменгл - третий, на уровне элек тронных схем - четвёртый и т. д. Всё зависит oj' числа и характера уровней, которые подчинены друг другу. Второй подход, несмотря на ei"o трудоёмкость формализации, нредночтиге;

пнее нервого, так как сохраняется нреемствен ность.

Первый этаи в данном случае состоит в aHajni3e 'ГЗ и на основании этого анализа определении наиболее важных узлов, из которых будет состоять бу дущий объект и связей между ними. Цель данного этапа - сиптез первопа чальной структуры на каждом из уровней и выбор онтимазп^ной. Поскольку структура может бьль очень больпюй, выбор оптима;

ппого варианта riojmo стыо ручным методом может быть очень трудоёмким, 'требук)П1Им разпооб разного эвристического подхода, целесообразно использовать автоматизиро ванный подход.

В даппой работе рассматривается структуршлй подход к проектирова нию структур сложпых измери1ельпых систем и пртнюдится пример создания простой автоматизированной системы для автоматизации выбора структуры, Это-метод замеи1епия. Па сегодпянпшй день нет известных автоматизирован ных систем, где бы он иснользовался. Ключевым моментом этого метода яв ляется получение оптима]ПэНой структуры iрафа системы с новым раснреде лением функций. Главпое отличие состоит в том, что исходпого объекта для преобразований, окончательного варианта структуры, нет. Она составляется на основании измери тельиого уравиения, по которому составляется уравнение функциоиирования. По нему строится начальный граф системы, вершипы ко торого представляют собой известные функции. Этот граф нодвергается не сколько раз оптимизации ио 1модифицирова1111ому ал1оритму Бсржа. Этот ал горитм может применяться к каждому компопепту па любом иерархическом уровпе. В самом общем виде этот процесс можпо представить так: Лпализ A о ИИС - формировапие уравнений измерений - формирование уравпепий функционирования - построение и редактирование структуры графа - оптими зация (автоматически или в диалоговом режиме) - оценка для дальпейшей реализации - декомнозшщя вершиппых функций для более подробпого пред ставлепия - применснпе онтплн1чации - епова оце1на для реализации с коррек тировкой - сохранспне промежуточнглх pe3yjHTaT0B (нри удовлетворении ipe бований ТЗ). FxjHi peajHoannM возможпа на основании существования комно нента, то дробление фупкций прекранциот, в прогивпом случае оптимизацию и декомпозицию проводят снова. Пели выяспится певозможпость реализации оригиналыюго комнонента, формируют заказ на изготовление. Это продол жают до тех пор, пока создаппая структура будет удовлетворять существую щей элемептпой базе и задапным в ТЗ требова1П1ям.

1.3.2. Анализ педоетатков рассмотреппых применений структурного подхода с точки зрения нроектирова1П1я ИИС В рамках данной работы рассматривается структурно-иерархичеекий метод для проектировапия ИИС. Оценим достоинства и недоетатки методов, рассмотренных в 1.1, которые сведём в Ta6jHiny:

Сравнительная оценка метода замен1ения с наиболее известными нри ложениям етруктурно-нерархичеекого метода.

Таблица 1. Мет од раепо Характерцегпка Метод за- Метод Метод при признака при ав- емыслово- траесировке Л1еп(епи}| 3iiaBannsi томат пзпроваппои пзобрансенпп печатных 10 анализа гекетов нлат реалпзапии Her Да Наличие исходного Да Да объекта для нреоб разований Нет 11е г Возможность но- /1,а, сели зада Да втора отде]нно1'о ны интервалы фрагмента алгорит ма Нет Мег Возможность но- Только, если Да нолучены не втора всего алго ритма в целом удовлетвори тельные ре зультаты грас снровки Нет Нет Нет Учет функциональ- Да ности огде;

н5ного элемента Нет Нет Возможность ири- Д.а, ecjHi со Да менения онтимиза- храняется ис ции к отде]Н5Ным ходная струк фрагментам сгрук- тура графа туры Нет Нет Нет Возможность нри- Да менения онтимиза ции но алгоритму • Бёржа Нет Нет Нерераснределение 11е г Да функций ио верн1и нам новой структу ры Краткие сравнительные характеристики рабочих нроцессов методов Таблица 1. Применение Краткое oimcaiiiie процесса MCIода Анализ аириорнглх знаний (ЛЗ) о ИИС - формирование урав Метод заме нений измерений - формирование уравнений функционирова щения иия - ностроение и редактирование структуры графа — онти мизация (автоматически и;

и1 в диало1'овом режиме) - оценка для да;

н.нейн1ей peaJHIзaции - декомпозиция верпшиных функций для более иодробного нредсгавле1И1я - нрименение онтимизации - снова оценка для реализации с корректировкой - сохраиеиие иромежуточи11Х pe3yjHTaT0B (нри удовлетворе нии требований ТЗ) Метод расно- Ввод растрового изображения из файла или со сканера - зада знаваиия изо- ние параметров раснознавагшя - расиознаванне - автоматиче бражений ская ироверка нравоиисания - корректировка результатов сохраиение Метод смы- Зада1Н1е исходного текста (из файла, в текстовом редакторе слового ана- или наирямую из 0С11-сис']емы) - иодключеиие словарей с лиза текстов грамматическими конструкциями - заиуск перевода - коррек тировка pe3yjH/i атов - сохранеиие Метод нри Ввод схемы электрической в векториом редакторе схем - раз комноновке биеиие её иа фрагменты - комноновка (размещение элементов печатных нлаг на нечатной илаге) в cнeциaJниoм редакторе - нринятие нара мегров трассировки ио умолчаиию ппи задаиие своих (пара метры ио умолчанню назначаются нри аиализе схемы с точки зрения многовариантности oнтимaJи.иoI•o критерия) - собст венно, трассировки - коррек'гаровки результатов трассировки - сохранении результатов.


Из таблицы 1.1 иаглядио видно, что ни с'|рукгур1и1Й метод для распо знавания изображений, ни структурный метод для комноновки/трассировкп печатиых илат, ни структурный метод для проектирования систем диалоговых интерфейсов (смыслового анализа текстов) не могут иеносредственно быть применены к проектированию структур. Только метод замен1ения, позво Л Ю ЦЙ с номон1,ыо таблицы замещеиия иерерасиределять сииски функций Я П между верншпами графа, построенного на МЫВУ, может бьггь полезпым при выборе oнтимaJИнoй структуры.

Из таблицы 1.2 видно, что процесс аитоматизированпого иросктирова ния структуры так же отличается не только отсутствием исходного объекта для преобразований, но и наличием минимум трёх диалоговых режимов (для корректировки исходной структуры, для ноиска оптимума МПВУ и нравки конечной структуры и распределения функций).

Во всех рассмотренных случаях кардинальное отличие заключается в том, что nepBOHa4ajnHoro объекта не существует, iiocKOjn.Ky он ноявигся позднее в нроцессе нроектирования. И нроектирова1Н1е - эвристический, мно гопроходный процесс, новторяемый до тех нор, пока спроектирова1пп1Й объ ект пе будет удовлет1юрять изпачально заданным требованиям.

Встаёт вонрос: как осун1,ествлять нроектирование па самом пачальпом этапе? Какие исходные дапные нужны для построения структуры нодсистем?

Сколько уровией иерархии будет в будуп1е11 системе? Очевидно, чтобы отве тить на этот вонрос, надо ориентировочно знать размеры объекта, где будет размеп1ена ИИС, величину измеряемых си1'налов, Hajni4He номех, энергопо треблеиие, условия функционирования. Тогда IlpиблизитeJHlHO ясным станет ответ на вонрос о элементной базе и уровнях детализацин.

1.3.3. Концепция разрабатываемой кохни^ютерпой поддержки Проектирование структуры системы па самом нервом, системном этапе - творческий ироцесс. Он зависит от квали(|)икации субъекта, ироектирующе го систему, его осведомлённости в нредметпой области, оиьтта работы, точно сти составленного технического задания и т. д.

Ll,ejH3io данной работы является создание основы для носледуюп1его ис следования в области иостроеиия САПР ИПС. Эта осиова должна быть реали зована па ЭВМ. Пеобходимо, чтобы был автоматизирован нроцесс получения исходпой структуры из фупкциопальпого уравпепия, процесс оптимизации структур с повым раснределепием фупкций (автоматический и диалоговый режим), простой процесс оцепки погрешности выбраииого участка проекти руемой структуры. Должиа быть реализована нозможпость диалогового ре дактировапия структуры и функционального раснределения.

Ключевым моментом этой основы является меч од структурного заме щения, онределение которого дано в [56]. Он состоит в поиске МЫВУ для определённой графовой структуры, ностроении новой структуры на верпш нах МНВУ и новому блочному раснределснию функций но верншнам нреоб разованпого графа с номопцло матрицы замсн1еннй.

Матрица замен1сний Таблица 1....

БЛ БЛ БЛ,., БЛз БЛГ 1/Вх 0 0 0 1/Вых БЛ4' 0 0 БЛз' • • • • • • 0 1 1/Вых БЛп,„' 0 0 1/Вх БЛп' Матрица замсп1ений — важный элемент, при номопщ которого происхо дит повое персраспределепие фуикций. Число столбцов в ией равио числу вершип структуры графа до преобразовапия, наименование каждого столбца совнадает с наименованием вер1иины. Число строк - числу BepniHFi иреобра зованного графа, наименование строки оиять же совпадает с паимеповапием вершины. Ыа нсресечении строки и етолбна ставится «1», если вершина ис ходной структуры нокрывает вершину нреобразованной. В этом случае спи сок функций исходной вернп1ны нолностыо нереходит к замеп1,ёппой. Если покрытия пет - ставится «О». Если к iiepnini«3-tbii6licfg^^'pbi перешли функции соседних, то иомимо функции иовой верппппл добавляются фупкции соседпих верпшн, которые могут быть нри необходимости подвергпуты раз резанию на несколько частей, если это возможно. Произведение функпио нальпых элемептов каждой строки - повое фупкцпопазплюе распределе CCTI ние для каждой верпшп1Л оптпмизироваппой структур1л.

В noBoii структуре каждая блочная функцпя может быть представлспа в виде графа, и опять подвергпута оптимизапии. Каждьп'1 граф может иметь не сколько вариаптов МНВУ [56]. CлeдoвaтeJп,пo, можпо смело утверждать, что и чисзю новых структур будет равно числу МПВУ. При этом возппкаюг кри Tepnajn^nbie вопросгл: как произвести выбор одиого МНВУ из пескольких имеюпп1хся? Пе всегда выбор МПВУ мипимальпой дJпппл (т.е. состоян1его из минимального числа элементов) оказывается нодходяпщм для каждого кон кретного случая. CлeдoвaтeJн.пo, тут необходим ипгерактивгплй режим с воз можпостью отката пазад. Такой процесс может пpoдoJГ/кaтьcя для всех графов каждого из уровней до тех нор, нока не будет достигнут уровень заданной элементной базы. Проектирование с иcпoJп.зoвaпиeм элемептпой базы - это уже схемогехпическое и параметрическое проектпрова1ше. Можпо сказать, что метод структурпого замеп1епия позволяет получать повгле функциональ ные элементы для структур, оптимпзирован1П1Х по модпфппирова1нюму ajH'o ритму Бёржа. Именно математический анпарат, осповаппый па структурпом замещепии, идеа]пио подходпг пе только для проекгировапия с]южпых, топо логически распределёппых пзмерительпых систем, по п Boo6nie любых сзюж ных, технических объектов.

В обп;

ем виде цепь состоит в программпой peajni3annn алгоритмов, по зволяющих представлять б]юки первопачазппо зада1П1ой структуры системы, нредсгавлеппой в виде графа, па подграф1(, те в свою очередь ещё и ещё и т.д., пока не будет достигнут уровень элементной базы. На каждом уровне к каждому графу блока может быть нримепёп алгоритм оптимизации для уменьп1ения числа подблоков п сохрапепия об1цей фупкциоца;

П)Пости.

ОСНОВНЫЕ В1,НК)ДЬГ к ГЛАВЕ I 1) Подробно рассмотрена сущность нроцссса структурного проектиро вания ИИС, И13К, других сложных систем измерите]Н1Ного назначения.

2) Рассмотрена тонология структурно - иерархического метода на гра фах к нрименению для проектирования ИИС с разделением на уровни пред ставлепия. Уровни могут расншряться но виду реализации (блок - субблок плата - элементная база) либо но функцнона:н,ному нредставлению (тина из меряемая величина - физическая сущность -- преобразователь воздействия — сигнал - нреобразователи сигнала - обработка).

3) Рассмотрено применепие топологин структурно-иерархического ме тода на графах к задаче раснознавания изображений, к трассировке печатпых плат, к нроек'1ирован1но СЭМ, к системам диалога «челове1-машина» (смы словому анализу текстов) и сделан сравнительный aHajHii3, о невозможности полного применения структурно-иерархического метода каждой из этих задач, к проблеме структурного нроектировапия ИИС.

4) Более конкретизирована цель и поставлена задача разработки.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСИОИЫ РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ КОМИЫОТЕРНОЙ ПОДДЕРЖКИ 2.1. Объект и средство измерений 2.1.1, Измерительные нреобразования Оби|,ее уравнение измерений можно иредставить в виде:

(2.1) X*=ch, где Я, - pe3yjH/raT измерения величины X, с - коэффиниент иронорцио нальности, Ai - иринятая единица измерений [88-91].

Современ1Н1е измерения реализуются на основе сложных многоканаль ных информационно-нзмерите]Н5НЫХ систем.

Соотноиюние, нредставляюн1,ее результат измерений, называется урав нением измерений. Сложные многоканальные ИИС иредставляю собой сово купность устройств, реализуюищх сложную измерительную процедуру. Из мерительная нроцедура вообн1е - это набор действий преобразовательного ха рактера (аналого-цифровое преобразование, усиление, масиггабирование и т.

д.), совершаемых над входной величиной с помощью соответствующих функ циона]нных нреобразователей. При проектировании таких ИИС на основании анализа ТЗ и A3 ио каждому каналу сложной ИИС строится уравнение изме рений. Каждьн'1 онератор это1'о уравнения может быть заменён функциональ ным блоком. Совокунность этих измерите;

илилх уравнений но каждому кана лу и даст в обн1ем виде структуру ИИС, которую можно представить в виде графа и над которой можно совершать npeo6pa3OBaTejn,Hbie действия с целью получепия оптимальпой структуры.

Появление комньютерпых технологий иpивeJЮ к синтезу типовых про цедур получения, преобразования, наконления и обработки наконлепия и хра нения измерительных знаний. Панример, создание микроконтроллеров нозво лило разрабатывать виртуальные измepитeJн,ныe комнлексы для многока нальных измерений.

Для каждого измерите;

нного средства (ИС) имеет место совокунность уравнений измерения. Эти уравнения отражают нанравления нреобразования измерительного сигнала, его свойства на каждом участке преобразования, а также иогреинюсть преобразования как на учаетке, так и в целом [89]. Урав нение измерения создастся до проектирования средства измерений, так как оно должно соответствовать нрироде измерения, огвечагь заданным требова ниям, обеспечивать заданную точность. Па основе этого можно записать со вокупность уравнений. Каждое уравнение затем можно нреобразовать в граф, который и будет структурной схемой данного измерительного средства. Из этих 1рафов надо будег выбрагь тог, который сочетает как можно больню но ложительных моментов и наиболее nojHio соответствует уравнению измери тельного процесса. Затем, оптимизируя этот граф по критерию МНВУ [56], можно выбрать оптимальпую структуру.

1'аким образом при построепии сложных измерительных систем с ис нользовапнем вычислительпых средств, требуется пoJHIaя формализация опи сания об'ьектов и процедур. 'Гребуетея так же введение взаимосвязанных ма тематических моделей, алгоритмического обеспечения метрологичеекого ана лиза и метро]югического синтеза.

Процесс измере1П1я, зацисаипый в виде уравпений измере1П1я, так же можпо [Ю]П1оетью описать с гюмонцло спепиализировапных языков, воспри нимаемых техническими средствами.

2.1.2. Процесс проектирования сложной ПИС Процеес проектирования сложной, тоно]югически распределённой из мерите;

пной системы, охваплвает ншрокий снектр действий от анализа тех нических требований (ТТ) и исходных данных до изготовления и иснытаний опытного образца - сложная, многоэтанная процедура, с многочисленными связями между различными этапами [22, 56, 60]. Рассматривая существенные свойства систем, определяют уровни нроектирования.

В соответствии с [16, 17, 22, 45, 75[ различают ajH-оригмический, струк турный, функционально - Jюгичecкий, схемотехнический и конструкторско технологический уровень нроектирования. Па самом первом, алгоритмиче ском уровне, анализируются алгоритмы управления, реншются вопросы функц1юнироиапия всей системы в целом, оцениваются временные отнонюния между алгоритмами измерения и управляющими воздействиями. В случае с ИИС здесь идёт речь о формировапии уравпепий измерепия.

На структурном уровне выясняются нринципы оргапизации системы, выбирается архитектура и основы построения ирограммного обеснечения.

Полученные результаты дета]П13ируются па фyнкцпoпaJHJHo-Jюгичecкoм уров не.

Далее нроисходит оформление электрических схем и конструкции, фор мируются чертежи и технологическая документация, необходимая для нроиз водства.

Проектирование слож1илх ИИС включает в себя два связанных блока:

блока синтеза структуры и параметрического си1Г1еза [32[. Первый б]юк включает в себя:

1) получение измерительных процедур и уравпепий на всех уровнях де тализации;

2) онределение снецификации межблочных связей, исходя из функцио нального распределения по устройствам, б:юкам для различнглх уровней дета лизации;

3) получеипе спецификаций алгоритмов уиравлепия измерите;

и,ными процессами на основании иолученного раснределепия функций;

4) метрологическую оценку снроектироваиной ИИС в целом, построе ние метафупкционала - обн1;

ей передаточной функции;

5) распределение ограничений, заданных в 'ГЗ но всем алгоритмам управления и выбор элементной базы. Каждый ншг данного блока может быть детализирован и для соответствия данным ТЗ, онтимизировап. Каждый шаг итерационен но своей нрироде, (как и весь блок) и может быть выполнен лю бое число раз, нока полученные результаты не будут соответствовать резуль татам 1'3.

Второй блок вюночает в себя онределе1Н1е информационных, метроло гическнх, энергетических, конструктивных нараметров нодсистем, устройств, блоков и всей ИИС в целом. ]^торой блок jHnieeH но BbHiojnieHHio и опирается на результаты первого. Он не может суп1ествовать сам но себе.

2.1.3. Прсдстаилсмгие объекта проектирования иа оеиове теории категорий Для того, чтобы поетроигь oenoBOHOJiai-aiouiyio базу, по которой в свою очередь можпо частичпо автоматизировать процесс, необходимы:

1) Наличие адекватного математического аипарата.

2) Возможпость чёткой представимосш будуи1ей системы.

3) Возможпость реализации математического ainiapaTa существукмцими языками аииаратпых устройств.

Для сиптеза структуры системы па пачальпых этапах используется ап парат теорип категорий и фупкторов. Пусть структура проектируемой ИИС имеет 7 уровпей иерархий (см. рис. 1.4). Рассмотрим представлепие объекта проектирования па оспове теорий категорий и функторов [1-2).

Пусть проектируемая система S должпа вьпю:п1ять совокуппоеть функ ций F при помощи фупкциопальпых элемепгов Г(Л) из категории Е. На уров не самой системы справед]П1во выражепие:

(2.2) Система S декомпозируется па подсистемы Pds i, Pds г,---, Pds „ На • уровпе подепстем для подсистемы Pds i можпо записать:

(2.3) FrocKOjnKy имеется п-подсистем, то второй уровепь представим как:

S(F) = П о т, [\\ (А,), Pds, j +1 lom, ^\ (А, J, IMs,) +...

+ Hom,(F,,(A,,),PdsJ Можпо сказать, что мпожеетво фупкций, BbniojnweMbix системой S яв ляется отображепиямп фyпкциoпaJПпыx элемептов Fi(A|), F2(A2),..., Fn(A|,) на подсистемы PdS|, Pds2,..., Pds^еоответствеппо. Здесь А|, А2,...,Ап - фупкцио нальпые элемепты уровпя подсистемы.

В евою очередь, каждая из подсистем Pdsi, Pds2,..., PdSnможет быть но добпым образом отображена на уровень узлов Uzl в количестве m следующим образом:

Pds,(F) = Hom,Дц,(A„),UzlJ+HomДF,ДAJДJzl,J +...+ Hom,(F,,,,(A,J,Uzl,J (2.5) Pds„ (F) = Нот,(F,,, (А,„ ), Uzl J + Н о т, (F,,, (А,„ ), Uzl,J +... + Hom,(F,,,,,(A,J,Uzl Каждый из уз]юв Uzlj, Uzl2, Uzl,,, для PdSn (в частности, для Pdsj) ото бражается на KOJHiHccTBo к устройств Usl:

Uzl,(F) - Hom,ДF,„(A,J, Usl,,, J + l l o m, A F, j A, J, Ust,„)+...+ (2.6) „ (F) = Нот ДF,„, (А„„ j, Ust,,.,)+1 lom, (F,,,, (А„„ j, Ust,, J +... + Hom,^F,,,(A,J,Ust,J Каждое устройство Usli, Ust2,..., Ust,, n свою очередь (для нашего случая может быть отображено на г б]юков В!:

Ust,(F) = HomДF„„(A„„),Bl,„,j+HomДF,„ДA,„J,Bl„J+...+ HomДF„,ДA,„j,Bl„,j (2.7) Каждый из блоков Bl], Bh,..., В1„ так же отображается па s илат: Р Bl,(F) = Ilom,(F,,,,,(A,,, Hom,(F,,,jA,,,J,Pl,,,J (2.8) Ha илатах устаиавзпшаютея компоненты элементной базы. На каждой плате (например, Pli), уетанонлено по d педелимых элементов Det. Аналогич но можно занисать:

= Hom,(F,,,,,,(A,,,,J,Det,,,,J+ (2.9) Pl,,(F)=Hom,(F,,,,,,,(A,,,,J,Det,, Здесь нринята следующая индексания: nmkrsd. Каждый буквенный сим вол в нумерации элемента означает уровень иерархии, строковая длина индек ca означает количество уровней в иерархической структуре. Оиа равна (коли чество символов в строке)+1. Для семиуровневой иерархии расшифровка еле дуюпщя:

О - нулевой уровень (сама система) не обозначается;

п —уровень подсистем, обозначает норядковый номер нодсистемы;

m - уровень узлов, в двухзначной комбинации с норядковым номером подсистемы обозначает норядковый номер узла;

к - уровень устройств, в трёхзначной комбннанин с норядковым номе ром нодсистемы и узла обозначает норядковый номер устройства;

г- уровень блоков, в четырёхзначной комбинаннн с норядковыми номе рами подсистемы, узла и устройства обозначает номер блока;

S - уровень нечатных плат, в пятизначной комбинации с норядковыми померамн подсистемы, узла, устройства и блока обозначает номер печатной платы;

d - уровень элементной базы, в нюстизначной комбинации с норядко выми номерами нодсистемы, узла, устройства, блока н платы обозначает но мер детали.

2.2. Разработка модели данных для предегавлсипи и операторов дли пх обрабоIкн 2.2.1. Представление нроектируемой счруктуры на основе графа Проектируемую структуру измерительной системы лучню всего нред ставлять в виде ориентированного графа, где вершины - комноненты нроек тируемого объекта (нодсистемы, узлы, устройства или блоки нроектируемой системы), а рёбра - связи между этими компонентами. Граф - это одна из разновидностей категорий. Поско;

нку аннарат формализации для компьютер ной ноддержки процесса системного нроектпровапия целиком строится на графах, стоит подробно рассмотреть онределение.

Пара (V, Е), где Е - нроизвольное нодмножество множества V, назы вается неориентированным графом. Элементы множества V наз11ваются вер шинами графа, а элементы множеетва F.-рсбрамн. Когда множество V(2) двухэлементных подмножеств заменяется декартовым квадратом V2, состоя щим из упорядоченных нар элементов множества V, то имеет место ориен тированный граф - пара (V, Л), где V—множество верншн, Л — множество ориеитированных ребер, которые называются дугами, Л в V2. Если a={vl, v2}—дуга, то вершины vl и v2 называются ее нaчaJЮм и концом соот ветственно.

Удобство нредставлення графа в ра\нах данной работы связано с авто матизированным проектированием, nocKOjnKy граф, как об1ект дискретиой математики, легко формализуется для мапннпюго представления.

Под мoдeJнлo данных в напюм случае ноннмается совокунность мно жеств однородных элементов, которые непосредствепно мо1ут принимать участие в обработке. Структура ИИС в нрограммной системе отображается как объект, основанный на ориентированном графе G ( V, E ), где V - енисок вершин графа G, \1 - М1южество унорядоченных нар элеме1ггов графа G.

Пусть задана функция 1': V — М CCJHI речь идёт о нометке вер1нии и F : E - M, если речь идёт о нометке рёбер. Здесь М - множество нометок. В нашем случае у графа имеются следуюп1не пометки вернн1н:

Ml-множество имён верп1ин фафа G;

М г - множество координат абсцисс положения веришны V,, в координа тах контекста очображення;

Мз - множество координат ординат нoJюжeния верпшны Vp в координа тах контекста отображения;

M4- 8 позиций положения элемента множества имён вершины Vn на коп тексте отображения;

М5- множество снмволов блочной функции, отображённой в вершииу Vp;

Мб-множесгво указателей входящих н выходящих связей, а гак же отеут ствия связи;

Имеются и пометки рёбер:

EQ, -множество нрямых линий связи;

EQ2-множество дуг связи;

ИcпoJH,зy^l эти множества и объединяя их, гюлучим объект нредставлепия графической структуры ИИС для компьютерной поддержки: Gp(Vp,Ep), где V -^ {М|,М-,,Мз,М,,,М5,М(^}, а Ер — {F,(,|,E,p}. Сам граф можно предста вить способом, основанным на прямоуго]н,1ЮЙ матрице ипциденпюсти (МИ) Ml (nxm), где n-KOjmMccTBO строк матрицы или верн1ин фафа, т-количество столбцов или связей.

Полная формализация представимости в виде множеств имеет вид (структура Sf):

Sf c ( m | ' и m"U m" и mj и rrijIJmJIiJ, где rd - разделитель элементов множеств. Можно вести обработку структуры ИИС неносредствепно обраба тывая вьппеназванные множества М, что, удобно, при редактировании струк туры. Ири обработке пабор множеств М переводится в структуру Sf.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.