диссертация модальная логика

-21 -

поддержки высокоинтеллектуальной деятельности проектировщика и найти ее приемлемые формы.

Указанная поддержка представляется в виде информационной технологии, которая должна быть эффективной и не должна порождать диссонансы в традиционных схемах рассуждений профессионалов.

В связи с тем, что на протяжении значительного промежутка времени развивалось научное направление, получившее название "автоматизации научных исследований", важно соотнести предстоящую разработку с указанным направлением. Этот вопрос в значительной мере сводится к тому, в какой степени деятельность на ранних стадиях проектирования является научной и есть ли какие-нибудь отличия. Представляется допустимым придерживаться точки зрения, изложенной в [1, 2, 6], согласно которой проектирование содержит в себе элементы научных исследований, с той особенностью, что этот вид деятельности жестко ориентирован на получение плодотворных результатов. Имеется в виду, что в проектировании отрицательный результат, имеющий даже научную ценность, рассматривается как неудача. Это положение осложняет предстоящую разработку, но с ним приходится считаться.

Если рассматривать ранние стадии проектирования с позиций теории познания [10, 11, 12], то можно считать, что этот вид деятельности является благоприятным полем для ее применения. Этапы деятельности, следуя один за другим, постоянно добавляют новое знание об объекте проектирования, причем процесс обретения нового знания является коллективным. Последнее обстоятельство является важным и на нем следует остановиться.

На ранних стадиях проектирования имеет место ситуация, когда образ объекта проектирования отражен только в умах группы проектировщиков, т. е. практически отсутствуют какие-либо другие реализации. Этот образ представлен в виде нечетко сформированного множества положений и идей.

- 2 2 -

Важно, что даже при общем концептуальном единстве, определяемом главным

конструктором, у каждого конструктора образ создаваемого изделия тем не менее существенно свой.

Выражаясь языком когнитивной психологии [13] можно сказать, что каждый конструктор имеет свою персональную когнитивную карту. Эта карта определяет схему его видения, как образа объекта проектирования, так и

процесса его реализации. Процесс формирования образа объекта проектирования, по сути, является процессом взаимодействия множества

когнитивных карт профессионалов. Идет процесс обмена знаками между профессионалами в рамках некоторой традиционной знаковой системы. В результате этого процесса указанное выще нечеткое множество положений и идей постепенно приобретает все больщую определенность, пока не обретет конкретность компоновочного чертежа. Важной особенностью процесса

является то, что конструкторы постоянно работают с некоторой мысленной

моделью, которая имеет текущее состояние и постоянно меняется в процессе познавательной деятельности. Этот процесс с полным основанием можно

считать процессом проектирования, который предполагает использование специфических моделей, получивших название когнитивных (от лат. "cognitio"- знание, познание).

Когнитивные модели являются действенным инструментом исследования

одного из сравнительно новых направлений психологии, а именно когнитивной психологии [13]. В исследованиях технической направленности эти модели

находят применение в качестве имитационных, которые ориентированы на

прогнозирование поведения оператора при взаимодействии его со сложными

техническими системами [14]. В проектной	деятельности примеры
использования когнитивных моделей пока единичны	[16'.
Рассмотренная специфика ранних стадий	проектной	деятельности
приводит к мысли о том, что изучение имеющих место проблем		целесообразно

-23 -

осуществлять методом опосредованного познания [40], т. е. моделирования. Это положение предопределяет характер последующего изложения материала.

Далее дается характеристика моделей, используемых на ранних стадиях проектирования. Акцентируется внимание на особенностях построения

иерархических структур моделирования, имеющих место информационных

процессов, а также на семантике принятия решений. Отслеживаются

познавательные аспекты этих и других используемых моделей с целью

выявления	комплекса требований к	специальным	моделям	когнитивной
направленности, разработка которых		является одной	из задач настоящей
работы.
1.2	З а д а ч и с т р у к т у р н о г о	и п а р а м е т р и ч е с к о г о		с и н т е з а в

п р о ц е с с е п р о е к т и р о в а н и я (с к о г н и т и в н ы х п о з и ц и й )

Современное сложное изделие машиностроения можно рассматривать как сложную систему. При проектировании такой системы по Флейшману [17^ нужно сформировать описание ее структуры и описание ее поведения, иногда говорят - функционирования. Если мы перечислим все функциональные системы и укажем статические связи между ними, то это и явится описанием этой структуры системы. Для построения описания функционирования системы необходимо указать все содержащиеся динамические связи и отразить взаимодействие элементов структуры в процессе работ создаваемого объекта. Процесс проектирования, соответственно, будет содержать два этапа. Сначала мы сформируем структуру, т. е. решим задачу структурного синтеза, затем опишем ее функционирование, т. е. решим задачу параметрического синтеза. Для различных изделий машиностроения задачи структурного и параметрического синтеза разнятся от изделия к изделию. Например, при создании дизеля, структура изделия может меняться не существенно, и основные трудности будут связаны с параметрическим синтезом. При создании гибкой производственной системы (ГПС) соотношение задач структурного и

- 2 4 -

параметрического синтеза будет существенно иным [102, 130]. В практике проектирования формирование структуры осуществляется либо эвристическим путем, либо структура выбирается из некоторого набора ранее опробованных решений. Практически очень трудно разработать и применить модели, которые отражали бы одновременно как структурные, так и функциональные особенности объектов проектирования [18, 19, 20, 23]. При проектировании изделий машиностроения нередко задача структурного синтеза как бы перетекает в задачу компоновки изделия, автоматизация которой остается пока весьма проблематичной. Тем не менее, поддержка этой деятельности средствами компьютеризации представляется возможной. Если объект достаточно сложен и допускает большое число вариантов структур, то успех проектирования сегодня определяется интеллектом и опытом разработчика. Отсюда можно сделать вывод, что создаваемые системы проектирования должны имитировать отдельные аспекты деятельности проектировщика и иметь звенья компьютерной поддержки наиболее сложных разделов проектных работ.

На втором этапе используются в большей или меньшей степени развитые теории анализа, ориентированные на конкретные виды изделий, которые позволяют получать приемлемые оценки функционирования. В настоящее время существует точка зрения, что для сложных технических систем возможно создание теории функционирования лишь для отдельных аспектов. В связи с этим основным средством проектирования на втором этапе пока остается имитационное моделирование.

Таким образом, мы имеем два явно выраженных этапа, характерных для ранних стадий проектирования, а именно: этап структурного синтеза и этап параметрического синтеза. Важно, что эти этапы содержат в себе существенные звенья познавательной направленности. Просматривается возможность повышения эффективности деятельности проектировщиков на

		-25 -
этих этапах за счет когнитивного моделирования и компьютерной						поддержки
процесса	исследования	объекта проектирования. Задачи структурирования,
компоновки изделия и параметризации представляются наиболее					интересными
и перспективными с точки зрения рассматриваемого				подхода	(когнитивного
моделирования).
1.3	М о д е л и ,	и с п о л ь з у е м ы е	п р и	р е ш е н и и		з а д а ч

п р о е к т и р о в а н и я

Универсальных методов построения адекватных моделей сложных

технических объектов пока не суш;ествует. Тем не менее, на ранних стадиях проектирования находят применение определенные виды моделей.

Если рассматривать модели с точки зрения детальности, то согласно [20], их можно подразделить на грубые, промежуточные и подробные. Под грубыми моделями понимаются содержательные (вербальные) модели, которые обычно носят концептуальный характер. В таком наименовании моделей отражается

заложенная в них идея последовательного приближения. От концептуальной модели путем последовательной детализации проектировщик приходит к подробной модели, содержащей всю необходимую информацию для решения конкретной задачи. Так главный конструктор и его окружение определяют концепцию изделия, компоновщик строит промежуточную модель (компоновочный чертеж) позволяющий осуществить экспертизу, конструкторы доводят процесс до уровня создания рабочих чертежей узлов и деталей (самая подробная модель). Уровень наших знаний об объекте проектирования позволяет использовать те или иные подходы к моделированию (математическое, имитационное и т. п.).

Одной из важнейших задач ранних стадий проектной деятельности является формирование концепции изделия [4]. Проведение концептуального

- 2 6 -

анализа объекта проектирования предполагает решение ряда проблем [21], а

именно:

-разбиение системы на функциональные элементы;

-выявление атрибутов (характеристик) выделенных элементов;

-нахождение взаимосвязей (отношений) между структурными элементами;

-построение на основе выявленных свойств и отношений моделей функционирования (в том числе математических);

-выявление суш;ественных для процесса извлечения знаний признаков и свойств описания объекта.

Необходимость решения перечисленных задач требует построения структурного описания технической системы.

Модели иногда представляют как совокупность понятий, их характеристик

иотношений, а в зависимости от того, какие элементы, характеристики и отношения используются, различают отдельные типы моделей. Уместно заметить, что такой подход неявно предполагает привлечение к процессу моделирования механизмов категориального анализа, т. к. "понятия", "характеристика" и "отношение" явно соотносятся с категориями Декарта и Локка: "субстанция", "состояние (модус)" и "отношение" [22]. Так семантические модели оперируют с качественными понятиями (переменными), например, в терминах естественного языка и семантическими отношениями, которые отражают реальные отношения между объектами и сохраняют свою семантику в модели. К семантическим моделям относятся различные языки представления знаний [23], а также содержательные модели, понимаемые как описания на обычном разговорном языке [24]. Семантические модели относятся к языкам декларативного типа. Естественный язык является типичным языком декларативного типа, который в то же время используется и как язык процедурного типа [25'

- 2 7 -

Существует понятие "содержательные модели", под которые подпадают словесные постановки задач, программы и планы развития систем, деревья целей, управления, проектирования и др. Эти модели имеют самостоятельную ценность при решении задач проектирования и управления, а также играют роль начального этапа при разработке формальных моделей. Для построения содержательных моделей широко используется системный подход [24, 26]. Системный подход опирается на понятия системы, подсистемы, элемента, структуры, иерархии, свойства (параметров), цели, функции и т. п. [6, 7, 35]. Это позволяет выявить специфику и закономерности сложной системы, разбить на подсистемы и организовать взаимодействие подсистем с учетом влияния внешней среды. В дальнейшем это позволяет перейти к использованию формализованных методов.

1.3.1 И е р а р х и ч е с к о е о п и с а н и е и с т р а т е г и и е г о

ф о р м и р о в а н и я

Иерархические описания в проектной деятельности играют важную роль. Такие понятия, как дерево целей, дерево функций, дерево противоречий укоренились в сознании как конструкторов, так и технологов. Подобную структуру обычно называют И-ИЛИ сетью. Этими структурами пользуются как схемами вывода. Структура имеет "начальные площадки" и "целевые площадки". Если движение осуществляется от начальных площадок к целевым, то реализуется так называемый "метод прямой волны", если наоборот, то - "метод обратной волны".

На практике обычно реализуется совместная стратегия встречного движения, получившая название "встречной волны". В монографиях [27, 28, 29] описаны области применения таких моделей. Идея метода обратного вывода принадлежит С Ю . Маслову (1964 г.) [135^.

-2 8 -

Вболее поздних работах рассматриваемый "метод прямой волны" стали называть стратегией "сверху-вниз", ее обычно придерживается ведущий специалист, например, главный конструктор. Исходную систему он разбивает на подсистемы, которые, в свою очередь, разбиваются на составляющие части.

Врезультате такого разбиения получается иерархия подсистем. Если объектом рассмотрения является технический объект, то будут определены узлы, подузлы детали и т. п. Полученной иерархии подсистем ставится в соответствие иерархия моделей. Примером таких моделей могут служить инженерные расчетные методики. Для стратегии "сверху-вниз" имеет место одно осложнение. Стратегия может породить "нестандартные функции", в реализации которых проектная организация не имеет опыта. Следовательно, для разработки таких подсистем может не оказаться в наличии ни подходящих моделей, ни расчетных методик. Однако глобальная цель проектной деятельности будет выдержана полностью. Примерами подхода, "сверху-вниз"

является	метод ШРО-проектирования,		разработанный	в 1976	году фирмой
I B M .	Стратегия	"сверху-вниз"	применяется	для	формирования

многоэшелонной системы [30]. Подобная система состоит из подсистем, причем некоторые подсистемы являются принимающими решение. Принимающие решение элементы располагаются иерархически, т. е. некоторые из них находятся под влиянием других решающих элементов. Уровень в такой подсистеме называется эшелоном. Упомянутое "осложнение", присущее подходу "сверху-вниз", имеет и некоторые плюсы, т. к. позволяет увидеть нетрадиционные пути решения некоторых привычных задач проектирования. Если конструкторское бюро располагает возможностями реализации нестандартных функций, то проект может оказаться в выигрыше. На практике обычно имеется множество ограничений (технические, экономические, социальные и др.), что заставляет искать приемлемые пути решения. Опытный

- 2 9 -

главный конструктор нередко обладает навыками декомпозиции без выхода на труднореализуемые "нестандартные функции".

Решению рассматриваемой задачи также способствует стратегия "снизувверх" [26, 31]. Эта стратегия является, по сути, стратегией "обратной волны".

Вконструкторском бюро ее обычно реализуют руководители подразделений, т.

е.руководители конструкторских групп, которые занимаются разработкой узлов и подсистем основного изделия. Механизм реализации выглядит приблизительно следуюш;им образом. После разработки компоновочного чертежа в первом варианте, максимально удовлетворяющего выводам стратегии "сверху-вниз", начинается процесс его согласования. Руководители подразделений путем внесения последовательности реально необходимых изменений постепенно реализуют или устраняют "нестандартные функции" и доводят компоновку изделия до уровня приемлемости. Тем не менее, жесткая позиция главного конструктора обычно позволяет добиться намеченной цели разработки. В настоящее время сформировалось понимание того факта, что сложные изделия и системы нужно проектировать как целое, поэтому стратегия "сверху-вниз" все же должна доминировать [30^.

1.3.2 Т е о р е т и к о - м н о ж е с т в е н н ы е м о д е л и

Удобным инструментом формализации является язык теории множеств, который применим ко многим аспектам деятельности и практически дает возможность описать любые объекты, в том числе и плохо структурированные, предельно неопределенные системы, описанные только словесно. В работе [30] показаны достоинства теоретико-множественных моделей с позиции общности формальных представлений по сравнению с аксиоматическими логическими структурами, технологическими и функциональными представлениями, алгебраической теории систем и др. Эти модели позволяют объединить модели

- 3 0 -

различных классов в единую модель. Представляет интерес в практике проектирования теория полихроматических множеств [41].

1.3.3 М о д е л и п р е д с т а в л е н и я з н а н и й Модели представления знаний не ориентированы на машинную

реализацию и занимают промежуточное место между вербальным (словесным описанием) и машинным представлением. Моделями представления знаний можно считать: продукции, семантической сети, фреймы, логические модели, сценарии, модели представления данных [23, 38^.

а) "Продукции" как форма представления знаний "Правило продукции" является самым распространенным форматом для

представления знаний, наиболее соответствующее их процедурному характеру. Это по сути программы из одного оператора вида "ЕСЛИ условия, ТО действие". Продукционные системы обычно состоят из трех компонентов:

-базы знаний (правила продукций);

-базы данных, отражающей текущее состояние некоторой задачи;

-управляющей структуры, выбирающей правило продукции для конкретного случая.

Достоинством "продукций" является их простота и модульность представления знаний. Эти правила не связаны жестко друг с другом. Они легко видоизменяются и удаляются. Можно добавлять другие правила. Однако "слабая" структуризация проблемной области приводит к противоречиям вывода, нет гарантии, что решение будет найдено, имеют место трудности при определении адекватности вывода, процедуры вывода мало отличаются от переборных. Наибольшее распространение "правила продукции" получили в экспертных системах [32]. Если предметная область сложная, то это представление знаний обычно сочетается с другими моделями.