Программная система моделирования процессов лингвистического управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Программная система моделирования процессов лингвистического управления

СИГАРЁВ А.А.

ДАНИЛОВА Н.Т.

ДАВЫДОВА Ю.В.



In work the program of modeling of process of automated control is offered

Традиционным путем решения вопросов организации требуемого функционирования производства является реализация соответствующих процессов автоматического управления, для чего непременно требуются адекватные математические модели. Однако не всегда оказывается возможным построение подходящей математической модели объекта управления по разным причинам. В таких случаях проводится построение и внедрение автоматизированных систем управления, в которых в зависимости от обстоятельств человек может исполнять роли датчиков, регуляторов и исполнительных механизмов. При этом успешное управление обусловлено тем, насколько удачно используется опыт в организации производственной деятельности. автоматизированный лингвистический управление

Возникает задача автоматизации процессов управления на основе индивидуального или группового опыта управления, именуемых лингвистическим управлением [1]. При осуществлении лингвистического управления опыт представляется строками таблицы опыта, которые фиксируют в дискретные моменты времени состояние функционирующей системы. Таблица пополняется в каждый момент времени принятия управленческого решения. После получения состояния системы в текущий момент времени начинается алгоритм поиска похожих обстоятельств в таблице опыта [2]:

1. Последовательно перебираются строки из этой таблицы и сравниваются с полученными обстоятельствами. При нахождении похожих обстоятельств, которые будут удовлетворять выбранному критерию близости, поиск прекращается, и на экран выводятся все похожие обстоятельства.

2. При выявлении сходства управленческое решение можно брать из таблицы опыта. Причем необходимо обратить внимание на оценку, соответствующую этому управленческому решению. Если она положительна, то управленческое решение было правильно сформулировано, и его можно использовать. Но если оценка отрицательна, то нужно для данных обстоятельств сформировать новое управленческое решение. Если при упомянутом сравнении сходства не выявлено, то управленческое решение из таблицы опыта нельзя использовать.

3. В любом случае эти новые обстоятельства вставляются в таблицу опыта, образуя еще одну строку.

Поскольку до настоящего времени отсутствуют информационные технологии и соответствующие программные системы моделирования процессов лингвистического управления, в данной работе предложена структура программной системы и исследованы её основные возможности.

Рисунок 1 - Структура программы на уровне модулей в виде UML-диаграммы



1 Структура программы

Наиболее обобщенная структура программы на уровне модулей на языке UML [3] представлена на рисунке 1. Внутри прямоугольников показаны реализованные в модуле классы. Стрелки обозначают зависимости между модулями. Например, модуль uGenerator использует модуль uUtils (зависит от модуля uUtils) и используется в модулях uLinguisticalControl, uColumns, uSensorProperty.

1.1 Модуль uUtils

Модуль uUtils содержит описание типов данных TNum (вещественное число) и TInterval (интервал вещественных чисел). При заполнении таблицы опыта основную часть данных пользователь программы вводит при помощи клавиатуры. Следовательно, необходимо создать процедуры и функции, проверяющие корректность введенных данных и выполняющие преобразования различных типов данных. В модуль uUtils также включены процедуры вывода на экран диалоговых сообщений и функция, которая позволяет получать текущее время системы. Модуль uUtils включает в себя следующие вспомогательные функции:

1. Процедура ErrorMes выдает на экран сообщение Mes об ошибке.

Декларация: procedure ErrorMes(Mes: string); public

2. Процедура InfoMes выдает на экран информационное сообщение Mes.

Декларация: procedure InfoMes(Mes: string); public

3. Функция IsNum возвращает True, если строка S является числом, иначе False.

Декларация: function IsNum(S: string): Boolean; public

4. Функция IsInterval возвращает True, если строка S является интервалом, иначе False.

Декларация: function IsInterval(S: string): Boolean; public

5. Функция ToStr преобразует вещественное число в строку текста.

Декларация: function ToStr(X: TNum): string; public

6. Функция ToNum преобразует строку в вещественное число.

Декларация: function ToNum(S: string): TNum; public

7. Функция ToInterval преобразует строку в интервал вещественных чисел.

Декларация: function ToInterval(S: string): TInterval; public

8. Функция IsInInterval возвращает True, если V находится внутри интервала Interval, иначе False.

Декларация: function IsInInterval(V, Interval: string): Boolean; public

9. Функция GetTime возвращает текущее время системы в виде строки.

Декларация: function GetTime: string; public

1.2 Модуль uAPIUtils

При лингвистическом управлении возникает необходимость использовать в качестве управляющего воздействия запуск или остановку какого-либо процесса, открытие файла. Для управления процессами в модуле uAPIUtils реализованы процедуры, которые обращаются к ресурсам операционной системы при помощи функций WinAPI. Модуль также содержит функцию для получения списка запущенных в системе процессов и процедуру эмуляции нажатия клавиши на элементе управления:

1. Функция GetProcessList возвращает в виде строки список запущенных в системе процессов. Декларация: function GetProcessList: string; public;

2. Функция KillTask завершает процесс с именем файла ExeFileName. Если процесс не удается завершить, функция возвращает нуль. Декларация: function KillTask(ExeFileName: string): Integer; public;

3. Процедура RunExe запускает выполняемый файл с именем ExeName. Декларация: procedure RunExe(ExeName: string); public;

4. Процедура OpenFile используется для открытия файлов различных форматов, а также может быть использована для доступа к Интернет-ресурсам. FileName имя файла или Интернет-ресурса. Декларация: procedure OpenFile(FileName: string); public;

5. Процедура EmulateKey эмулирует нажатие клавиши в визуальном компоненте. Процедура принимает два параметра - Handle компонента и код клавиши. EmulateKey используется для перемещения фокуса к следующему компоненту путем эмулирования нажатия клавиши Tab. Декларация: procedure EmulateKey(Wnd: HWND; VKey: Integer); public.

1.3 Модуль uGenerator

При имитации показаний датчиков объекта управления в программе используются случайные величины с различными законами распределения. Для этого в модуле uGenerator реализована функция GetDistributionsList и класс TGenerator.

Функция GetDistributionsList возвращает в виде строки список законов распределений случайных величин используемых для генерации значений датчиков.

Декларация: function GetDistributionsList: string; public

Класс TGenerator предназначен для генерации значений случайных величин с заданными параметрами. Поля и методы класса TGenerator представлены на рисунке 2.

Класс TGenerator содержит следующие поля:

1. Distribution - закон распределения случайной величины (равномерное, нормальное, Вейбулла).

2. GenWay - способ генерации. Принимает значение одной из констант gwGenFromEarlier, gwGenFromGenerator, gwGenUseCurTime.

3. Left - левая граница интервала, ограничивающего значения случайной величины.

4. Mean - среднее арифметическое для нормально распределенной случайной величины.

5. Right - правая граница интервала, ограничивающего значения случайной величины.

6. StdDev - среднее квадратическое отклонение для нормально распределенной случайной величины.

7. UseInterval определяет, нужно ли ограничить интервал значений случайной величины.

8. WA - параметр б распределения Вейбулла.

9. WLambda - параметр л₀ распределения Вейбулла.

Класс TGenerator содержит следующие методы:

1. Create - конструктор класса.

2. Generate - функция, возвращающая число в соответствии с параметрами случайной величины.

3. GetInfo - функция возвращающая в виде строки информацию о генераторе. GetInfo используется для сохранения в файл параметров случайной величины.

Рисунок 2 - UML-диаграмма класса TGenerator

1.4 Модуль uColumns

Каждый столбец таблицы опыта обладает набором свойств. Одни свойства являются общими для всех столбцов (имя столбца, тип значений, параметры поиска), другие специфичны для каждого типа столбца (параметры генерации для датчиков, список управляющих воздействий для столбцов УВ). Хранение и редактирование свойств столбцов обеспечивает иерархия классов TColumns, TSensorColumn, TInfluenceColumn, TRatingColumn в модуле uColumns. Диаграмма классов модуля uColumns представлена на рисунке 3.

Перед описанием классов рассмотрим вспомогательные функции модуля uColumns.

1. Функция GetObligatoryOptionList возвращает список параметров совпадения значений при поиске («обязательное совпадение», «необязательное совпадение», «не проверять совпадение»).

2. Функция GetStrOptionsList возвращает список параметров совпадения значений строковых столбцов при поиске («точное совпадение», «поиск подстроки», «поиск любого слова», «поиск всех слов», «в заданной последовательности»).

3. Функция GetNumOptionsList возвращает список параметров совпадения значений числовых столбцов при поиске («поиск по отклонению», «в заданном интервале»).

4. Функция GetInfluenceTypesList возвращает список типов для столбцов управляющих воздействий («число», «строка»).

5. Функция GetRatingTypesList возвращает список типов для столбцов оценок качества управления («число», «строка»).

6. Функция GetSensorTypesList возвращает список типов для столбцов датчиков («число», «строка», «время»).

Класс TColumn используется для редактирования и хранения данных, общих для всех типов столбцов. Класс TColumn включает в себя следующие поля:

1. ColType - тип значений столбца («строка», «число», «время»).

2. LeftBorder - левая граница интервала поиска для числовых столбцов.

3. Name - название столбца.

4. NumDeflection - отклонение при поиске для числовых столбцов.

5. NumOption - способ поиска («поиск по отклонению» или «в заданном интервале») для числовых столбцов.

6. Obligatory - тип совпадения («обязательное совпадение», «необязательное совпадение», «не проверять совпадение»).

7. RightBorder - правая граница интервала поиска для числовых столбцов.

8. StrOption - способ поиска («точное совпадение», «поиск подстроки» и т.д.) для строковых столбцов.

Класс TColumn содержит следующие методы:

1. Create - конструктор класса.

2. Destroy - деструктор класса.

3. Функция EditProperties вызывает форму редактирования свойств столбца из модуля uSensorProperty, uRatingProperty или uInfluenceProperty в зависимости от типа столбца. Функция возвращает True, если свойства были изменены, иначе False. Абстрактный метод EditProperties различен для столбцов датчиков, управляющих воздействий, оценок и реализуется в потомках TColumn.

4. Функция EditSearchProperties вызывает форму редактирования свойств поиска столбца из модуля uSearchProperties. Возвращает True, если свойства были изменены, иначе False.

5. Процедура Execute декларирует выполнение управляющего воздействия. Сама процедура выполнения управляющего воздействия реализована в классе TInfluenceColumn.

6. Абстрактная функция GetDefaultValues реализуется в потомках класса TColumn. Возвращает возможные значения для списка вариантов при вводе и редактировании данных таблиц опыта и поиска.

7. Абстрактная функция GetInfo возвращает в виде строки информацию о столбце. GetInfo используется для сохранения в файл данных о столбце. Реализуется в потомках TColumn.

8. Функция GetSearchName возвращает название столбца таблицы поиска.

9. Функция GetTableName возвращает название столбца таблицы опыта.

Рисунок 3 - Диаграмма классов модуля uColumns на языке UML



10. Функция GetTextColor возвращает цвет текста в таблице при перерисовке с учетом типа столбца.

11. Функция IsInfluence возвращает True, если столбец является управляющим воздействием. Реализуется в потомках TColumn.

12. Функция IsSensor возвращает True, если столбец является датчиком. Реализуется в потомках TColumn.

13. Функция SimilarValues сравнивает два строковых значения и в соответствии с типом столбца, параметрами поиска возвращает True, если значения удовлетворяют критерию близости, иначе False.

Классы TSensorColumn, TInfluenceColumn, TRatingColumn наследуют все поля, процедуры и функции класса TColumn, а также реализуют абстрактные методы TColumn. Класс TSensorColumn предназначен для хранения данных о столбцах датчиков, TInfluenceColumn - для столбцов управляющих воздействий, TRatingColumn для столбцов оценок управления. Кроме того, класс TSensorColumn содержит поле Generator типа TGenerator для генерации значений датчиков, а в класс TInfluenceColumn добавлены списки строк slCol0 и slCol1 для хранения названий вариантов управляющих воздействий и связанных с ними действий.

1.5 Модуль uLinguisticalControl

В модуле uLinguisticalControl реализован класс TLinguisticalControl. Класс TLinguisticalControl охватывает бульшую часть операций, связанных с редактированием структуры и данных таблицы опыта и выполнением поиска. Описание класса TLinguisticalControl в виде UML-диаграммы приведено на рисунке 4. Класс TLinguisticalControl содержит следующие поля:

1. AutoSave - показывает, включен ли режим автосохранения.

2. Changed - показывает, был ли изменен проект.

3. lCols - список данных о столбцах.

4. lSearchedInfo - список данных о найденных при поиске строках.

5. ProjectFileName - имя файла проекта лингвистического управления.

6. sgSearch - таблица добавления нового состояния системы и поиска строк.

7. sgSearchResults - таблица результатов поиска.

8. sgTable - таблица опыта.

TLinguisticalControl содержит следующие методы:

1. Функция AddColumn добавляет новый столбец в таблицу опыта. Возвращает True, если удалось добавить новый столбец, иначе False.

2. Функция AddInfluence добавляет новое управляющее воздействие в таблицу опыта. Возвращает True, если удалось добавить новый столбец, иначе False.

3. Функция AddRating добавляет новую оценку в таблицу опыта. Возвращает True, если удалось добавить новый столбец, иначе False.

4. Функция AddSensor добавляет новый датчик в таблицу опыта. Возвращает True, если удалось добавить новый столбец, иначе False.

5. Процедура AutoSaveToFile выполняет автосохранение.

6. Функция CanEditTables возвращает True, если таблицы опыта и поиска доступны для редактирования, иначе False.

7. Процедура Clear очищает весь проект и все связанные с ним данные.

8. Процедура ClearColumns удаляет информацию о столбцах таблиц.

9. Процедура ClearSearch очищает таблицу поиска.

10. Процедура ClearSearchedInfo стирает информацию о результатах поиска.

11. Процедура ClearSearchResults очищает таблицу результатов поиска.

12. Процедура ClearTable очищает таблицу опыта.

13. Процедура ClearTables очищает все таблицы.

14. Функция ColumnCount возвращает количество столбцов таблицы опыта.

15. Create - конструктор класса.

16. Процедура DeleteColumnFromTables удаляет из всех таблиц столбец с номером Index.

17. Процедура DeleteEmptyRowsFromTable удаляет пустые строки из таблицы опыта.

18. Процедура DeleteRowFromSearch удаляет строку с номером Index из таблицы поиска.

19. Процедура DeleteRowFromTable удаляет строку с номером Index из таблицы опыта.

20. Destroy - деструктор класса.

21. Функция EditColumnProperties вызывает форму редактирования свойств столбца с номером Index. Возвращает True, если свойства были изменены, иначе False.

22. Функция EditColumnSearch вызывает форму редактирования свойств поиска столбца с номером Index. Возвращает True, если свойства были изменены, иначе False.

23. Процедура GenerateNewState заполняет столбцы датчиков новыми значениями.

24. Функция GetColumn позволяет получить столбец по индексу Index.

25. Функция GetColumnsInfo возвращает информацию о столбцах в виде строки.

26. Функция GetProjectInfo возвращает информацию обо всем проекте в виде строки.

27. Функция GetProjectName возвращает имя редактируемого проекта.

28. Функция GetSelTextFromSearch возвращает выделенный текст из ячейки таблицы.

29. Функция GetTableInfo возвращает имя файла проекта.

30. Функция IndexOfCol возвращает номер столбца с именем ColName или нуль, если столбец отсутствует в таблице.

31. Процедура Init инициализирует переменные sgTable, sgSearch, sgSearchResults.

32. Функция InsertTableRowToSearch вставляет строку с номером TableIndex из таблицы опыта в позицию номер SearchIndex таблицы поиска. InsertTableRowToSearch возвращает True, если операция выполнена, иначе False.

33. Процедура LoadProjectFromFile загружает проект из файла с именем FileName.

34. Процедура MoveCols меняет местами столбцы с номерами AFromIndex и AToIndex.

35. Процедура OnSearchedClick обрабатывает щелчок по найденной строке.

36. Процедура OnSearchedDblClick обрабатывает двойной щелчок по найденной строке.

37. Процедура RepaintTables выполняет перерисовку всех таблиц.

38. Процедура SaveProject сохраняет проект в файл.

39. Функция Search выполняет поиск строк по таблице опыта. Возвращает True, если найдено хотя бы одно совпадение, иначе False.

40. Функция SearchedCount возвращает количество найденных строк.

41. Процедура SetColumnName устанавливает названия столбца с номером Index во всех таблицах.

42. Процедура SetColumnsInfo считывает и устанавливает информацию о столбцах из строки S. SetColumnsInfo используется при загрузке данных о столбцах из файла.

43. Процедура SetProjectInfo считывает и устанавливает информацию о проекте из строки S. SetProjectInfo используется при загрузке проекта из файла.

44. Процедура SetTableInfo считывает и устанавливает информацию о таблице опыта из строки S. SetColumnsInfo используется при загрузке данных о таблице опыта из файла.

45. Функция SimularRows сравнивает две строки таблиц и в соответствии с типами столбцов, параметрами поиска возвращает True, если строки удовлетворяют критерию близости, иначе False.



Рисунок 4 - UML-диаграмма класса TLinguisticalControl

1.6 Модули uFormHint, uSensorProperty, uInfluenceProperty, uRatingProperty, uSearchProperties, uMain

Модули uSensorProperty, uInfluenceProperty и uRatingProperty содержат формы для редактирования свойств датчиков, управляющих воздействий и оценок функционирования соответственно.

В модуле uSearchProperties находится форма редактирования свойств поиска столбцов и связанные с ней методы и функции.

Модуль uFormHint содержит форму TfHint, при помощи которой пользователю во время редактирования таблиц выводится подсказка.

В модуле uMain реализована главная форма приложения, через которую происходит взаимодействие пользователя с программой.

2 Пример использования программы

Рассмотрим методику лингвистического управления на конкретном примере в предложенной системе моделирования, выполненной в Delphi [4]. Приступим к формированию структуры таблицы опыта. Добавление столбцов можно выполнять двумя способами: с помощью кнопок «Добавить датчик», «Добавить воздействие», «Добавить оценку» или с помощью контекстного меню таблицы опыта (рисунок 5).

Рисунок 5 - Добавление столбцов в таблицу

Добавим в таблицу числовой датчик температуры. При этом открывается окно свойств нового датчика. В открывшемся окне необходимо задать название датчика, выбрать один из типов и способ генерации значений (рисунок 6). Добавим символьный датчик давления и датчик времени. Датчик времени оказывается третьим по счету столбцом. С помощью перетаскивания за заголовок столбца сделаем датчик времени первым. Затем добавим управляющее воздействие УВ типа «число» и заполним несколько вариантов, например, как на рисунке 6. Заполнять варианты управляющего воздействия можно с клавиатуры или при помощи кнопок «Запуск программы», «Остановка программы», «Открыть файл».

Рисунок 6 - Свойства датчика

Рисунок 7 - Свойства управляющего воздействия

С помощью кнопки «Тест» можно выполнить пробный запуск варианта УВ.

Добавим в таблицу строковую оценку качества управленческого решения (рисунок 8) и выровняем ширину столбцов так, чтобы названия были хорошо видны.



Рисунок 8 - Свойства оценки качества управленческого решения

Заполним предысторию несколькими строками. При вводе значений в таблицу опыта на экране показываются подсказки с текущим временем системы для временных столбцов и ранее введенные варианты значений столбцов (рисунок 9). На рисунке 10 показан пример заполнения предыстории.

Рисунок 9 - Строка с вариантами значений

Рисунок 10 - Заполнение предыстории таблицы опыта

Редактирование свойств столбца таблицы опыта можно производить в любой момент времени. Для этого нужно открыть свойства столбца двойным щелчком по заголовку или при помощи контекстного меню таблицы опыта.

Перейдем к добавлению новых состояний системы. С помощью кнопки «Новое состояние» сгенерируем значения датчиков. Далее укажем свойства поиска для столбцов «Температура» и «Давление» (рисунок 11).

Рисунок 11 - Свойства поиска для столбцов температуры и давления

Свойства поиска можно открыть двойным щелчком по заголовку столбца таблицы поиска или командой контекстного меню.

На рисунке 12 представлены результаты поиска в таблице опыта нового состояния системы. Для символьного датчика давления была выбрана опция «поиск любого слова». Строка «норм*низк» обозначает, что выполняется поиск одного из слов «норм» или «низк». В приведенном примере пользователю программы следует выбрать управляющее воздействие из первой найденной строки, т.к. оно имеет наилучшую оценку. Двойной щелчок по управляющему воздействию найденной строки копирует это УВ в текущее состояние системы.

Рисунок 12 - Результаты поиска

Выводы

Можно сделать следующие выводы о лингвистическом управлении различными системами при помощи разработанной программы:

1. Программа лингвистического управления дает возможность использовать персонал низкой квалификации взамен высококвалифицированных специалистов.

2. В то же время возникает необходимость использования высококвалифицированных специалистов на начальном этапе управления.

3. Разработанная программа обладает следующими возможностями:

- при каждом запуске программы выполняется автоматическая загрузка последнего открытого проекта;

- после любого изменения проекта происходит его автоматическое сохранение;

- для получения значений датчиков можно использовать генераторы случайных чисел с различными законами распределения;

- с каждым значением или диапазоном значений управляющих воздействий можно связывать запуск или остановку какого-либо процесса, открытие файла;

- в любой момент работы системы пользователь имеет возможность добавлять и удалять столбцы, редактировать их свойства, изменять ширину и менять столбцы местами;

- при заполнении таблиц пользователю в качестве подсказки выдается список возможных значений;

- пользователь может выполнять поиск не только одной строки по таблице опыта, но и последовательности строк, например, текущего состояния t и двух предшествующих t-1, t-2 (поиск с предысторией);

- ограничений на количество используемых датчиков, исполнительных механизмов и регуляторов определяются возможностями устройств отображения.



ЛИТЕРАТУРА

1. Раков, В.И. Нелинейность инфографического моделирования в управлении интеллектуальными инженерными объектами [Текст] / В.И. Раков, В.О. Чулков, под ред. проф. В.О. Чулкова. - М.: Изд-во «СвР- АРГУС», 2006. - 256 с.

2. Раков, В.И. Вопросы лингвистического управления при проектировании интегрированных АСУ [Текст]/ В.И. Раков. - Промышленные АСУ и контроллеры, 2006. - № 9. - С. 37-40.

3. Фаулер, М.UML. Основы. [Текст] / М. Фаулер, К. Скотт. - пер. с англ. - СПб.: Символ-Плюс, 2002. - 192 с.

4. Бобровский, С.И. Delphi 7 [Текст] / Учебный курс / С.И. Бобровский - СПб.: Питер, 2004.- 736 с.

Размещено на Allbest.ru

...