Разработка моделей и алгоритмов синтеза схем для тренажерного комплекса, обучающего проектированию систем автоматизации

Актуальность проблемы. Наиболее интенсивно развивающимся направлением мировой образовательной системы является теория и методология дистанционного образования. Одна из главных проблем в этой области, заключающаяся в переносе методик инженерного образования в новую среду, может быть решена только с разработкой тренажерных комплексов, ориентированных на работу в глобальной сети.

Анализ процесса обучения проектированию систем автоматизации показал, что этап, наименее охваченный информационными технологиями и отличающийся наибольшим уровнем ошибок студентов связан с разработкой различных схемных решений систем автоматизации.

Стратегия проектирования на основе постепенной детализации технического решения хорошо понимается студентами в общем виде. Однако применение этой стратегии при решении практических задач инженерного проектирования обычно вызывает большие сложности. Проведенные исследования показывают, что основной причиной таких ошибок является отсутствие у обучаемого ассоциативных связей между различными моделями представления объекта на разных этапах проектирования.

Для передачи эмпирических знаний успешно применяются различные тренажерные комплексы, в том числе комплексы, обучающие решению творческих задач проектирования технических систем, наладке оборудования и т. п. [41]. В отличие от программ по обучению базовым понятиям (математические формулы, определения) или директивным нормам (правила дорожного движения), указанные тренажеры должны помочь обучаемому осмыслить теоретические знания, сформировать личные эвристики для их применения. С этих позиций тренажер становится не столько средством обучения, сколько инструментом извлечения знаний и формирования личного опыта.

Как показали проведенные эксперименты с тренажерами, обучающими решению задач проектирования систем автоматизации, эффективность этих комплексов во многом зависит от трех факторов:

• организации предметных знаний,.

• степени автоматизации труда преподавателей, применяющих эти тренажеры,.

• степени индивидуализации сценария работы и информационных средств поддержки пользователя.

Ослабить негативные факторы можно путем включения в состав тренажерных комплексов интеллектуальных модулей поддержки обучения, которые обеспечат решение задач автоматической подготовки (генерации) вариантов моделей схем промышленной автоматики и автоматическую проверку проектных решений, подготовленных студентами. Необходимо проведение исследований с целью создания информационных моделей, алгоритмов, программного и методического обеспечения для поддержки процесса обучения проектированию указанного класса объектов (систем автоматизации).

Задачи автоматической генерации различных видов схем автоматизации (структурных, функциональных, принципиальных электрических) относится к классу комбинаторных задач структурного синтеза, отличающихся большой размерностью и отсутствием универсальных методов и алгоритмов решения. Как показывает опыт создания САПР [6], обычно задачи этого класса решаются с использованием различных интерактивных пакетов, графических редакторов и т. п. Известны отдельные решения [6], поддерживающие интерактивные алгоритмы синтеза схем автоматизации (СА), однако они ориентированы на разработку другого вида документации (схем трубных проводок, монтажно-коммутационных схем). Все указанные разработки относятся к классу промышленных САПР и не поддерживают операции проверки и анализа решения пользователя.

Перечисленные факты позволяют считать тему диссертации актуальным направлением исследования.

Целью диссертационной работы является создание моделей и алгоритмов синтеза схем для тренажерного комплекса, обучающего проектированию систем автоматизации.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ автоматизированных обучающих систем, и процесса обучения проектированию схем систем автоматизации. Разработать структуру интеллектуального тренажерного комплекса (ИТК), ориентированного на автоматизацию труда преподавателя и эффективную реализацию индуктивных методик обучения.

2. Разработать концептуально-логическую модель представления предметных знаний, включающую знания об элементах технических средств автоматики (ТСА), структуре объекта проектирования (СА) и способах преобразования моделей схем.

3. Разработать алгоритмы синтеза моделей функциональных и принципиальных электрических схем систем автоматизации.

4. Разработать алгоритм проверки учебных проектных решений, созданных в интеллектуальном тренажерном комплексе.

5. Разработать методику обучения проектированию схем систем автоматизации на основе информационного и программного обеспечения ИТК.

6. Создать программное обеспечение для интеллектуальных модулей поддержки обучения, обеспечивающих автоматическую генерацию моделей схем промышленной автоматики и автоматическую проверку проектных решений, подготовленных студентами.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в качестве базовой методологии, являющейся основой исследования, в работе использовались методы структурного системного анализа. Также использованы: теория множеств (при разработке информационных моделей и моделей интерпретаций онтологии), элементы теории графов и теории автоматизированного проектирования (при создании моделей и алгоритмов автоматизированной проверки учебных проектных решений, созданных в интеллектуальном тренажерном комплексе).

Новые научные результаты:

1. Новая структура интеллектуального тренажерного комплекса, ориентированного на функционирование в глобальной сети, автоматизацию труда преподавателя и эффективную реализацию индуктивных методик обучения.

2. Концептуально-логическая модель предметной области, включающая таксономии «Элементы ТСА» и «Интерфейс ТСА», множества экземпляров концептов, множество отношений.

3. Обобщенная атрибутивная модель базового концепта (устройства автоматики) предметной области.

4. Постановка задачи синтеза принципиальной электрической схемы системы автоматизации как задачи последовательной трансформации моделей: СС структурная схема) => ФС (функциональная) => ПЭС (принципиальная электрическая) / МКС (монтажно-коммутационная).

5. Продукционные модели представления инженерных приемов синтеза цепей СА и алгоритмы синтеза моделей функциональных и принципиальных электрических схем систем автоматизации.

Практическая ценность работы:

1. Создана методика обучения проектированию схем систем автоматизации на основе информационного и программного обеспечения интеллектуального тренажерного комплекса.

2. Разработано программное обеспечение для задач обучения автоматическому проектированию схем систем автоматизации, включающее графические редакторы структурных и функциональных схем, модули генерации знаковых моделей функциональных и принципиальных электрических схем автоматизации, а также проверке знаковых моделей учебных решений.

3. Создан программно-инструментальный комплекс ведения БД по техническим средствам автоматики. База данных включает описания технических устройств на множестве из 200 характеристик, в том числе описания функциональных и конструктивных особенностей блоков и ограничений на условия подключения внешних цепей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Каждому уровню проектирования должна соответствовать, по меньшей мере, одна модель ОП (Система / Схема) — необходима иерархия схемных моделей вида: СС (структурная схема) -> ФС (функциональная) => ПЭС (принципиальная электрическая) => МКС (монтажно-коммутационная) схема системы автоматизации. Процедурные знания должны охватывать методы преобразования всех выделенных моделей объекта проектирования (ОП).

2. Необходимым условием для перехода от модели СС к модели ФС является наследование всех свойств объектов, перечисленных в СС. Аналогичные условия для перехода от модели ФС к модели ПЭСдля каждой цепи, существующей в модели ФС, обязательно должно быть соответствующее отображение в модели ПЭС.

3. В основу любой модели схемы положено бинарное отношение «соединять». В зависимости от множества элементов, на основе этого отношения и ряда дополнительных отношений, характеризующих отдельные свойства элементов, можно получить различные модели схемы системы автоматики.

4. Алгоритмы, программное и информационное обеспечение синтеза схемных решений систем автоматизации.

Внедрение результатов. Результаты исследовашй, включающие программное и методическое обеспечение интеллектуального тренажерного комплекса, обучающего проектированию схем систем автоматизации, переданы для использования в учебном процессе Московского инженерно-физического института (государственного университета), а также внедрены в учебный процесс Тверского государственного технического университета.

Апробация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I международной конференции «Системные, информационные и технические средства и технологии в профессиональной деятельности, образовании, оздоровлении и профилактике» , — 2003, Геленджик, на X международной конференции «Современные технологии обучения» — 2004, С-Пб, на IX международной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы (IEEE.

AIS'04)", Таганрог-Дивноморское, на IX национальной международной конференции по искусственному интеллекту «КИИ-2004», Тверь.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 5 статей и 1 тезисы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 134 страницах машинописного текста, в том числе на 21 рисунке и в 28 таблицах. Список использованной литературы включает 113 наименований.

Выводы к главе 3.

1. Элементы из множеств (TS]t TS3) выбирают исходя из требований технологов к вектору входов/выходов объекта управления. Затем, исходя из характеристик выбранных элементов (TSj, TS3), подбирают другие блоки ТСА необходимые для построения СА, формируя таким образом макет ТЗ. При таком определении исходных данных можно утверждать, что в графе цепи любого типа всегда будет определена «крайняя» вершина (начальная или конечная).

2. Алгоритм генерации цепей функциональной схемы должен включать следующие шаги:

— выделение вершин-истоков на множестве TSr,.

— генерация измерительных цепей;

— выделение вершин-стоков на множестве TS3',.

— генерация управляющих цепей / цепей сигнализации;

— генерация цепей передачи данных.

Реализация алгоритма приводит к созданию множества цепей, объединение которых позволит получить функциональную схему. Однако, выполнение операции объединения приведет к созданию избыточной.

3. Сформулированы условия принадлежности вершин контуру и определена стратегия построения контура. Построение контура Кощ начинается от вершины-истока х1Кощ) и заключается в разметке всех вершин измерительной цепи, затем разметке вершины, соответствующей экземпляру концепта (из класса Р), а затем разметке вершин управляющей цепи или цепи сигнализации, начиная от вершины-стока х}{Кощ),.

4. В основу любой модели схемы положено бинарное отношение соединять". В зависимости от множества элементов, на осноре этого отношения и ряда дополнительных отношений, характеризующих отдельные свойства элементов, можно получить различные модели схемы системы автоматики. Если построена модель мФС, то она рассматривается как исходные данные для задачи генерации модели мПЭС.

5. Модель принципиальной электрической схемы имеет несколько уровней завершения. Сформированы правила и порядок перехода от уровня к уровню с расширением участвующих элементов. Рассмотрен случай эквивалентности двух уровней.

ГЛАВА 4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ТРЕНАЖЕРНОГО КОМПЛЕКСА.

Интеллектуальный тренажерный комплекс изначально ориентирован на использование в дистанционном образовании, что объясняет реализацию его архитектуры в виде модулей. Такая распределенная архитектура позволяет успешно функционировать в сетях различного масштаба: как в небольших локальных (Intranet), так и в глобальной мировой сети Интернет. Также не исключается возможность работы тренажерного комплекса на одной рабочей станции, вне всякой сети. В последнем случае на рабочую станцию возлагаются дополнительные функции и сервисы: сервера баз данных и web-сервера.

4.1. Автоматизированное рабочее место преподавателя.

Автоматизированное рабочее место преподавателя (АРМ ИТК) сочетает в себе функции клиентской части системы управления реляционной базой данных psapr, графического редактора знаковых моделей схем и клиентскую часть реализации цепочки алгоритмов: синтез функциональных схем -> компоновка функциональных схем -> синтез принципиальных схем.

Реализация АРМ ИТК выполнена на алгоритмическом языке программирования высокого уровня С++, с использованием технологии СОМ, библиотеки классов VCL корпорации Borland, динамически подключаемой библиотеки libpq. dll, поставляющей интерфейс с сервером БД PostgreSQL. Визуальный дизайн форм разработан при помощи интегрированной среды разработчика С++ Builder 6 корпорации Borland.

Основу программы АРМ ИТК составляет группа классов, реализующих перечисленные выше функции.

Класс TConnectionForm инкапсулирует свойства и методы, необходимые для установления соединения с сервером баз данных по протоколу TCP/IP. Попытка установить соединение производится вызовом метода TConnectionForm: :Connect, который вызывается после заполнения регистрационной формы (рис. 4.1). Параметры установленного соединения запоминаются в формате use г @ serve г: port и могут быть использованы для автозаполнения полей регистрационной формы в последующих сеансах работы с программой.

Соединение с сервером.

1ЕРЧЩЩР'п ill" ШаНММ5432 w.

PostgreSQL.

Connect. j.

Рис. 4.1. Регистрационная форма соединения с базой данных.

Процесс общения с сервером баз данных происходит посредством двух функций: ProcessQuery и ProcessCommand. Первая функция отсылает серверу команду-запрос, составленную на структурированном языке запросов (SQL), и ожидает возврата результата, как правило представленного набором кортежей из таблиц БД. Вторая отсылает управляющую команду, и ждет отклика сервера о ее выполнении. Указанные функции являются оболочками вокруг процедур библиотеки libpq. dll: PQexec, PQresultс добавлением обработки исключительных ситуаций.

Доступ к интерфейсу добавления, редактирования и удаления информации в базе данных основан на использовании целой группы классов.

В целях централизации управления программой, а также использования механизма сообщений операционной среды, вся группа классов подчинена базовому классу TManageDatabase. Создание экземпляра каждого из классов происходит после выбора пункта списка, с перечисленными названиями доступных окон интерфейса. При активации элемента вызывается метод TManageDatabase:: lbDbElementsClick создающий экземпляр требуемого класса и размещающий интерфейс, поставляемый классом, внутри специально отведенной области.

Интерфейс окон клиентской части системы управления базой данных имеет сходную структуру: в правой части располагается таблица, отражающая записи из базы данных, в левой части — средства управления информацией выделенной записи. В общем случае управление записями в таблицах базы данных производится путем обработки сообщений (messages), через механизм управления сообщениями операционной системы. Сообщения отсылаются из класса TManageDatabase при помощи системной функции SendMessage ().

Каждый из классов клиентского программного обеспечения банка данных содержит обработчик системных сообщений: :MessageHandler. Текст функции-обработчика практически идентичен во всех случаях, учитывая возможности С++ по повторному использованию участков кода, функция-обработчик вынесена в отдельный модуль HandlerUnit.cpp.

В зависимости от выполняемых действий при работе с базой данных, АРМ ИТК может находиться в одном из указанных следующих режимов:

— навигации,.

— добавления данных,.

— редактирования данных,.

— обновления данных.

Текущий режим определяется значением флага EMode равным emNavigate, emAppend, emEdit, emRefreshing соответственно. Визуально смена режима отражается в состоянии кнопок на панели управления (таблица 4.1).

Заключение

.

1. Разработана структура интеллектуального тренажерного комплекса, ориентированного на автоматизацию труда преподавателя и эффективную реализацию индуктивных методик обучения. Предложенное решение обеспечивает обучение с использованием мультимедийных тренажеров и ориентировано на использование в глобальной сети.

2. Создана концептуально-логическая модель предметной области, включающая таксономию «Элементы ТСА» и таксономию «Интерфейс ТСА», множества экземпляров концептов, множество отношений. Разработана обобщенная атрибутивная модель базового концепта таксономий предметной области.

3. Выполнена формализация задачи синтеза моделей схем систем автоматизации, как задачи эвристического поиска на графе пространства состояний. Создан набор продукционных правил для синтеза измерительных и управляющих цепей в схемах СА.

4. Разработаны алгоритмы автоматизированного проектирования моделей схем автоматизации и алгоритм проверки учебных проектных решений, созданных в интеллектуальном тренажерном комплексе.

5. Создана методика обучения проектированию схем систем автоматизации на основе информационного и программного обеспечения ИТК.

6. Разработано программное обеспечение интеллектуального тренажерного комплекса, включающее графический редактор функциональных и структурных схем, модуль синтеза схемных решений, базу данных по элементам комплекса технических средств.