Экспертная система поддержки принятия проектных решений при схемотехническом проектировании аппаратных средств для АСУТП

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспертная система поддержки принятия проектных решений при схемотехническом проектировании аппаратных средств для АСУТП

К.т.н. В.А. Прилипко, к.т.н., проф. В.Е. Красовский

Аннотация

экспертный иерархия проектируемый компоновочный

Разработана экспертная система, реализующая модифицированный метод анализа иерархий. Система работает в среде пакета MATLAB, позволяет ввести индивидуальные требования к проектируемому устройству и представить в виде диаграммы итоговые рейтинги объектов, рекомендованных для включения в компоновочный состав проектируемого устройства.

Keywords: hardware, schematic design, designing of the industrial automation systems, optimal design.

Автоматизация новых технологических процессов требует разработки специфического оборудования, причем выбор проектных решений в инженерной практике, как правило, представляет значительные трудности из-за многообразия вариантов и большого числа трудно учитываемых и плохо формализуемых факторов.

Такие проекты сопряжены со значительными временными и материальными затратами, требуют нескольких циклов корректировки и во многих случаях не могут быть эффективно реализованы с помощью традиционных подходов.

Для решения подобных задач в [1, 2] предложен модифицированный метод анализа иерархий (МАИ), позволяющий определить оптимальный компоновочный состав при схемотехническом проектировании аппаратных средств АСУТП. В настоящей статье, являющейся развитием [1], рассматривается система проектирования на основе предложенного подхода.

Исходными данными для модифицированного метода анализа иерархий, применяемого при компоновке аппаратных средств АСУТП, являются:

– технические требования к проектируемому устройству;

– библиотека объектов (компонуемых функциональных блоков).

Множество требований, предъявляемых к устройству, разделено на общие и индивидуальные. Общие требования - это требования, которые предъявляются к любым разрабатываемым аппаратным средствам АСУТП, независимо от их назначения и исполняемых функций. Считается, что набор общих требований, которые необходимо учитывать при проектировании, например, стоимость, надежность, является ограниченным и постоянным. Для обеспечения учета особенностей конкретной АСУТП используются индивидуальные требования, которые определяются требованиями к функциональности и техническим характеристикам, например, диапазону входных напряжений.

Модифицированный метод анализа иерархий реализован в виде нейро-нечеткой системы, состоящей из нейронной сети и нечеткой системы, осуществляющих сравнение объектов. Нейронная сеть, использующаяся для расчета рангов объектов (выбора наиболее подходящих для проектируемого устройства), содержит количество нейронов, равное общему количеству объектов, которые могут применяться для компоновки проектируемого устройства. На выходе нейрона формируется значение, определяющее ранг соответствующего ему объекта.

База нечетких правил, используемых для выбора объектов, основана на практическом опыте. На вход нейро-нечеткой системы подаются экспертные оценки важности требований к проектируемому устройству, а на выходе считываются ранги объектов.

В компоновочный состав проектируемого устройства включаются объекты, имеющие максимальный в своем классе ранг, чем обеспечивается оптимальность скомпонованного устройства с точки зрения удовлетворения требований к нему.

Реализация метода в среде MATLAB

Рассмотрим экспертную систему поддержки принятия проектных решений, реализующую модифицированный МАИ.

Для реализации модифицированного МАИ выбрана среда системы MATLAB. Она имеет встроенные средства для работы с нейронными сетями и системами на основе нечеткой логики, а также предоставляет возможность вывода результатов в наглядной графической форме и их экспорта в другие программные пакеты.

Интерфейс экспертной системы обеспечивает ввод индивидуальных требований к проектируемому устройству и экспертных оценок важности общих требований. Окно интерфейса показано на рис. 1. В интерфейсном окне указаны требования, заданные при проектировании модуля дискретного ввода МДВ7 для промышленных контроллеров модульного типа СМ1820М КПД3.

Свойства объектов, ответственные за реализацию общих требований, хранятся в базе данных программы и используются для расчета синаптических весов входов нейронов. В ОАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука» разработана библиотека объектов для САПР PCAD-2004, насчитывающая более 460 объектов и продолжающая пополняться. Расчет осуществляется в Fussy Logic Toolbox [3, 4], входящем в состав системы MATLAB.

Рассчитанные синаптические веса нейронов передаются в однослойную нейронную сеть, реализованную с помощью пакета расширения Neural Networks Toolbox [4, 5], входящего в состав системы MATLAB.

Рис. 1. Интерфейс экспертной системы для компоновки технических средств АСУТП

Объекты, принадлежащие одному классу, сравниваются друг с другом по рангам, рассчитанным нейронной сетью. Результаты сравнения представляются в виде столбцовой диаграммы (рис. 2). В итоговую диаграмму включаются от одного до трех объектов с максимальными рейтингами в каждом классе, чтобы у разработчика была возможность использовать ближайший подходящий объект в случае невозможности применения объекта с самым высоким рейтингом (неожиданный срыв поставки необходимых комплектующих и т.п.).

Для рассматриваемого случая проектирования модуля МДВ7 программа определила, что наиболее соответствующими поставленным требованиям будут три объекта из класса «дискретный ввод потенциальных сигналов» и два объекта из класса «системный интерфейс связи». Согласно списку объектов в библиотеке, это объекты: номер 99 с рейтингом 7,07; номер 101 с рейтингом 7,27; номер 103 с рейтингом 7,26; номер 371 с рейтингом 8,09 и объект номер 372 с рейтингом 7,81. Таким образом, наиболее оптимальным выбором будут объекты с номерами 101 и 371. Объект номер 101 применяется совместно с объектом номер 424.

Рис. 2. Результат работы программы компоновки

Структурная схема спроектированного модуля МДВ7 показана на рис. 3.

Модуль состоит из следующих блоков:

– адресный дешифратор (объект № 371);

– буфер (четыре объекта № 424);

– оптоизоляция (объекты № 101);

– RC-фильтр (входит в состав объекта № 101).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Структурная схема модуля МДВ7

Оценка эффективности предлагаемой методики

В качестве основного критерия эффективности будем использовать такой показатель как количество корректировок принципиальной электрической схемы и печатной платы проектируемого устройства, вызванных несоответствием технических характеристик опытного образца требованиям задания или ошибками при разработке схемы - количество итераций. Использование в качестве критерия эффективности этого показателя объясняется тем, что именно количество итераций определяет длительность и стоимость разработки: каждый повторный цикл производства и монтажа печатной платы и тестирования очередного опытного экземпляра увеличивает стоимость и продолжительность работы. Одна повторная итерация увеличивает расходы на макетирование и тестирование на 100%, а продолжительность работы - примерно на 60% (продолжительность технологического цикла «производство - тестирование»).

Второстепенным критерием эффективности методики будем считать продолжительность первой итерации - длительность первоначальной разработки устройства в целом и отдельно его принципиальной схемы.

Сравним указанные показатели, полученные в процессе разработки модулей, выполненной с помощью предлагаемой методики, с показателями, достигнутыми при разработке сравнимого по количеству и аналогичного по функциональному назначению набора модулей, разработанного ранее в ОАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука» с помощью традиционных методов.

При использовании в процессе разработки предложенной в данной работе методики 75% из описанной номенклатуры модулей прошли испытания и полностью соответствовали предъявляемым к ним техническим требованиям после первой итерации. Остальные 25% потребовали только одну повторную итерацию. Заметим, что к этим 25% относятся сложные процессорные модули МП3.2, МП6, МП7 и МП8, и повторные итерации были вызваны ошибками при согласовании объектов, составляющих модули, или ошибками при проектировании печатной платы, а компоновочный состав модулей, определенный при помощи предлагаемой методики, не изменялся. В предыдущем проекте, реализованном без помощи предлагаемой методики, только 30% разрабатываемых модулей полностью соответствовали требованиям после первой итерации, после второй итерации - 40% модулей, после третьей - 20%, а 10% - после четвертой. На рис. 4 показаны диаграммы, иллюстрирующие количество итераций при использовании предлагаемой методики и без нее.

На рис. 5 приведена диаграмма, иллюстрирующая изменение продолжительности первой итерации для всего устройства и принципиальной схемы раздельно.

Таким образом, среднее количество итераций на один модуль при использовании предлагаемой методики составляет 1,25, а средняя продолжительность разработки составила 5 недель для устройства и 1 неделю для принципиальной схемы. В проекте, использующем традиционные методы, среднее количество итераций на один модуль составило 2,1, а средняя продолжительность разработки - 6 недель и 1,5 недели, соответственно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Соотношение числа итераций и количества модулей, разработанных за данное число итераций

Рис. 5 Продолжительность первой итерации

Из приведенных данных следует, что использование при разработке новых модулей предлагаемой методики позволило сократить количество итераций в среднем на 40%, а продолжительность первой итерации на 15% для всего устройства и на 30% для разработки принципиальной схемы. Это подтверждает эффективность предложенной методики по сравнению с традиционными методами.

Практика разработки аппаратных средств серии СМ1820М нового поколения и эксплуатации комплексов технических и программных средств, построенных на их основе [6-9], показала адекватность предлагаемого метода проектирования аппаратных средств АСУТП с использованием аппарата объектно-ориентированного проектирования и МАИ, модифицированного с помощью математических методов теорий искусственных нейронных сетей и нечетких множеств.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований: проект № 10-08-01156а.

Литература

1. Прилипко В.А., Карпов В.Я., Красовский В.Е. Модификация метода анализа иерархий для задач проектирования аппаратных средств АСУТП. - «Вопросы радиоэлектроники», серия ЭВТ, 2009, вып. 3.

2. Прилипко В.А. Разработка и реализация методики проектирования технических средств для АСУТП на примере СМ ЭВМ. - Дисс. канд. техн. наук. М., 2010.

3. Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети. М., Физматлит, 2001.

4. Дьяконов В., Круглов В.В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. СПб., Питер, 2001.

5. Медведев В.С., Потемкин В.Г. Нейронные сети. MATLAB 6. М., Диалог-МИФИ, 2002.

6. Прохоров Н.Л., Егоров Г.А., Красовский В.Е. и др. Управляющие вычислительные комплексы. М., Финансы и статистика, 2003.

7. Глухов В.И., Прилипко В.А., Глухов А.В. СМ1820М: все для автоматизации технологических процессов. - «Промышленные АСУ и контроллеры», 2007, №7.

8. Глухов В.И., Прилипко В.А., Каневский В.Г. Коммуникационный процессор СМ1820М КПД - «Приборы», 2007, №6.

9. Прохоров Н.Л., Глухов В.И., Прилипко В.А. и др. Программно-технические комплексы CM1820M в системах автоматизации технологических процессов на атомных станциях. «Вопросы радиоэлектроники», серия ЭВТ, 2008, вып. 2.

Размещено на Allbest.ru