20
15
На правах рукописи
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Автоматизированная информационная интеллектуальная система для проектирования технологического оборудования
Специальность 05.25.05 - Информационные системы и процессы, правовые аспекты информатики
Мариковская Мария Павловна
Тамбов - 2008
Работа выполнена на кафедре «Автоматизированное проектирование технологического оборудования» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет».
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Мокрозуб Владимир Григорьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент
Пасечников Иван Иванович ;
кандидат технических наук
Земской Николай Александрович
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Воронежская государственная технологическая академия»
Защита состоится «___» __________2008 г. в ___ час.___мин. на заседании диссертационного совета Д212.260.05 Тамбовского государственного технического университета по адресу: 392000, Тамбов, ул. Советская, 106, Большой зал.
Отзывы на автореферат, скрепленные гербовой печатью, направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.260.05 Селивановой З.М.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета
Автореферат разослан «___» ______ 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук Селиванова З. М. .
Подписано к печати 00.00.2008.
Формат 60 84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тimes New Roman.
1,0 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ № 000
Издательско-полиграфический центр ТГТУ
392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Использование автоматизированных информационных систем (АИС) является в настоящее время необходимым условием эффективной работы промышленных предприятий. Проектирование технологического оборудования - один из наиболее длительных и ответственных этапов технической подготовки машиностроительного производства. В связи с возрастающими требованиями заказчика часто возникает необходимость проектирования нестандартного типового оборудования, что ведет к увеличению времени, затрачиваемого на разработку проектной документации.
Большой вклад в разработку информационных систем автоматизированного проектирования и искусственного интеллекта внесли Соломенцев Ю.М., Кафаров В.В, Павлов В.В., Волкова Г.Д., Гаврилова Т.А., Евгеньев Г.Б., Прохоров А.Ф., Фогель Д.Б., Заде Л.А., Д. Джонс, Капустин Н.М., Норенков И.П., Малыгин Е.Н. и другие отечественные и зарубежные ученые.
Несмотря на несомненные достижения в области искусственного интеллекта и большое разнообразие существующих АИС, предназначенных для проектирования технических изделий, конструкторские отделы затрачивают много времени на разработку технической документации, особенно чертежей. В связи с этим, проблема создания АИС, позволяющей проектировать технологическое оборудование остается актуальной, особенно в плане применения методов искусственного интеллекта и получения технической документации с минимальным участием лица принимающего решения.
Развитие перерабатывающих отраслей промышленности, в том числе химической и пищевой, является в настоящее время актуальной задачей экономики Российской Федерации.
Технологическое оборудование химических и пищевых производств состоит преимущественно из типовых элементов, что дает возможность создать информационную систему, которая позволит автоматизировать не только такие стадии проектирования, как определение основных элементов аппаратов, технологические и механические расчеты, но и стадии разработки рабочих чертежей, что является актуальным, так как позволит уменьшить сроки проектирования и повысит качество проектных решений.
Создание процедурных и информационно-логических моделей технологического оборудования на разных уровнях представления и разработка на их основе информационных систем, обладающих интеллектуальными свойствами, позволит накапливать и использовать опыт экспертов всеми разработчиками проекта.
Работа выполнена в рамках гранта РФФИ (проект №06-08-96352-р_центр_а).
Объектом исследования является автоматизированная информационная интеллектуальная система для проектирования технологического оборудования.
Предметом исследования являются процедурные модели проектирования и информационно-логические модели технологического оборудования на разных уровнях представления.
Целью работы является разработка математического обеспечения и элементов программного и информационного обеспечения автоматизированной информационной интеллектуальной системы (АИИС) для проектирования технологического оборудования, позволяющей сократить сроки проектирования и улучшить качество проектных решений.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести информационный анализ конструкции и исследовать процесс проектирования технологического оборудования;
- разработать процедурную модель процесса проектирования технологического оборудования;
- разработать информационно-логическую модель технических объектов на абстрактном уровне и, на примере емкостного аппарата, на объектном уровне представления;
- разработать продукционно-фреймовое представление информации о технических объектах;
- разработать прототип экспертной системы поддержки принятия решений при проектировании емкостных аппаратов;
- разработать программы механических и технологических расчетов технологического оборудования;
- разработать базу типовых параметрических элементов технологического оборудования.
Методы исследования. Поставленные задачи решаются с использованием методов теории множеств, теории графов, математической логики, средств искусственного интеллекта, теории полихроматических множеств и графов.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
1. Предложена процедурная модель процесса проектирования технологического оборудования, описывающая процесс проектирования от получения исходных данных до выдачи рабочей документации, отличительной чертой (новизной) которой является применение средств искусственного интеллекта не только на ранних, но и на заключительных этапах создания рабочей документации;
2. Предложена информационно-логическая модель технических объектов на абстрактном уровне представления, включающая модель структуры объекта, модель параметров элементов объекта и модель позиционирования элементов в пространстве;
3. Предложена информационно-логическая модель емкостного аппарата на объектном уровне представления, описывающая элементы аппарата, связи между параметрами элементов, включая и взаимное расположение элементов в пространстве, позволяющая генерировать законченный вариант конструкции аппарата с минимальным участием проектировщика, за счет применения средств искусственного интеллекта;
4. Разработано продукционно-фреймовое представление информации о технических объектах на абстрактном уровне и на примере емкостного аппарата на объектом уровне, позволяющее представить информационно-логическую модель технического объекта в памяти ЭВМ.
5. Разработана АИИС для проектирования технологического оборудования, базирующаяся на предложенных процедурной и информационно-логической моделях и позволяющая осуществлять автоматизацию проектирования на всех этапах выполнения конструкторско-технологической документации.
Практическая ценность и реализация результатов.
1. Разработаны процедурная и информационно-логическая модели, предназначенные для проектирования технологического оборудования;
2. Создано программное обеспечение и информационные базы АИИС проектирования технологического оборудования, включающие прототип экспертной системы выбора элементов емкостного аппарата, программное обеспечение для технологических и механических расчетов емкостных аппаратов, базу параметрических 3D и 2D моделей и базу типоразмеров элементов химического оборудования, базу свойств материалов и их применимости в различных средах;
3. Разработанное программное обеспечение внедрено на ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н. С. Артемова» и ЗАО «Завод Тамбовполимермаш»;
4. Внедренное программное обеспечение использовано указанными организациями при проектировании более 350 единиц оборудования.
На защиту выносятся:
1. Процедурная модель проектирования технологического оборудования, представляющая формализованное описание процесса проектирования и отличающаяся применением средств искусственного интеллекта, как на ранних, так и на заключительных этапах создания рабочей документации;
2. Информационно-логическая модель технических объектов на абстрактном уровне и, на примере емкостного аппарата, на объектном уровне представления, включающая модель структуры аппарата, модель, описывающую параметры элементов и всего аппарата в целом, и модель позиционирования элементов в пространстве, и позволяющая генерировать законченный вариант конструкции аппарата;
3. Продукционно-фреймовое представление информации о технических объектах на абстрактном уровне и на примере емкостного аппарата на объектом уровне представления;
4. Базовые компоненты АИИС для проектирования технологического оборудования, включающее прототип экспертной системы выбора элементов емкостного аппарата, программное обеспечение для технологических и механических расчетов емкостных аппаратов, базу параметрических 3D и 2D моделей и базу типоразмеров элементов химического оборудования, базу свойств материалов и их применимость в различных средах.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: Российской (VI Тамбовской межвузовской) научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатики и информационных технологий» (г. Тамбов, 2002 г.), XVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Ростов н/Д, 2003 г.), Международной научно-практической конференции «Качество науки - качество жизни» (г. Тамбов, 2006 г.),VI Всероссийской межвузовской научной конференции «Формирование специалиста в условиях региона» (г. Тамбов, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Глобальный научный потенциал» (г. Тамбов, 2006 г.).
Публикации. Основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, опубликованы в 13 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка используемых источников. Содержание диссертации изложено на 156 страницах машинописного текста, включая 32 рисунка, 12 таблиц и 11 страниц приложений.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ее научная новизна и практическая значимость, сформулированы цель работы и приведено краткое содержание диссертации по главам.
В первой главе «Состояние вопроса разработки информационных систем для проектирования технических объектов» проведен краткий обзор существующих методов разработки информационных систем автоматизированного проектирования технических объектов. Рассмотрены и проанализированы основные достижения в области искусственного интеллекта, способы представления и обработки знаний, подходы в области исследования проектирования технических объектов. Представлен анализ существующих информационных систем для автоматизированного проектирования технических объектов.
Описана методология ручного (автоматизированного не интеллектуального) конструирования технических объектов и ее основные этапы.
Во второй главе «Разработка процедурной модели процесса проектирования технологического оборудования и информационно-логической модели технического объекта» проведен информационный анализ конструкции и процесса проектирования технологического оборудования.
Отмечено, что, несмотря на большое разнообразие технологических процессов химической, нефтегазовой, спиртовой, пищевой промышленности, разнообразие рабочих сред, давлений, температур и других параметров, в конструкции технологического оборудования можно выделить много общего. Все аппараты наряду с наличием у них своих специфических устройств, как правило, состоят из следующих основных элементов и узлов: цилиндрического корпуса, днища, крышки, штуцеров, устройств для присоединения контрольно-измерительных приборов, люков, опор, сварных и фланцевых соединений, строповых устройств и др.
Технический объект TO представляет собой систему, состоящую из элементов E и связей S между ними. Будем называть элементы и связи структурными единицами технического объекта.
На основании проведенного анализа основных узлов и деталей, составляющих конструкцию, множество всех элементов технологического объекта представлено выражением , где - функциональные элементы, несущие технологическое назначение (перемешивающее устройство емкостного аппарата, трубная решетка теплообменника); - соединительные элементы, служащие для связи основных элементов друг с другом (сварные швы, фланцевые соединения, болты и т.д.).