Информационное обеспечение автоматизированного проектирования на основе нечетких реляционных серверов данных

Общая характеристика работы. Проектирование сложных технических изделий выполняется в наши дни распределенным коллективом проектировщиков, использующих информационные технологии и работающих в условиях развитой корпоративной сети. Средством согласования проектных решений служит репозитарий проекта, представляющий собой информационное хранилище (базу данных) всех проектных документов. В условиях, когда сроки разработки нового изделия определяют рыночный успех фирмы, архив старых проектных решений не может быть хранилищем микрофильмированных или тем более бумажных материалов. Как архив проектов, так и репозитарий проекта должны быть активными хранилищами данных. Международные стандарты (ISO-9000) требуют от предприятий иметь полное электронное представление изделий, которое должно строиться в ходе проектирования на базе репозитария текущего проекта. Построить такое информационное обеспечение автоматизированного проектирования можно только на основе современных серверов данных, работающих в рамках клиент-серверной технологии.

Сложность использования систем управления базами данных (СУБД) для организации конструкторских баз данных (БД) состоит не только в ограничениях реляционной модели, но и в необходимости представлять неполностью определенные проектные решения. В процессе поискового творческого проектирования часть значимой информации обязательно будет неопределенной, неточной, нечеткой. Запрос, формируемый проектировщиком в таких условиях, должен быть гибким, содержащим нечеткие условия. Очень важным видом запроса, позволяющим сократить сроки разработки изделия, является запрос аналогичного проектного решения. Аналогия между объектами может быть выражена на основе нечетких отношений. Вместе с тем необходимо учитывать распространенность языка запросов SQL. Необходимо расширение современной реляционной модели, которое позволило бы учесть такие 6 особенности автоматизированного проектирования изделий как хранение и обработка неопределенной информации. При этом новые возможности необходимо предложить проектировщикам в форме привычного SQL-запроса.

Таким образом, в теории и практике существует важная научно-техническая задача создания методов и средств организации информационного обеспечения систем автоматизированного проектирования (САПР), способного осуществлять хранение и обработку неопределенных данных.

Актуальность проблемы. В работах Д. Дюбуа и Г. Прада предлагается расширение реляционной модели данных на основе теории возможности. Предложено формировать результаты запросов к реляционной модели, содержащей возможностный атрибут на основе распределения возможности. Но в данных работах не решены многие вопросы организации среды хранения и обработки нечетких данных средствами SQL-языка, являющегося фактическим стандартом языка запросов. Большинство работ других авторов носят теоретический характер и иллюстрируются экспериментальными программами на языках типа ЛИСП или ПРОЛОГ. Разработка новой нечеткой реляционной модели данных и реализация ее для промышленного сервера данных, например, класса СУБД Oracle, имеет научно-практический смысл.

В работах отечественных ученых А. Н. Мелихова, Л. С. Бернштейна, А. В. Боженюка успешно решены задачи поиска проектного решения по аналогии, основанной на теории нечетких систем. Взаимодействие интеллектуальных нечетких систем и систем данных в составе интегрированной интеллектуальной САПР требует от СУБД организации хранения кортежей с нечеткими атрибутами. Предложенные перечисленными авторами методы применены для САПР машиностроения. В работах М. Р. Кагаловского, А. Р. Саймона и других предложены перспективные идеи разработки постреляционных баз данных, в том числе активных. Но конкретная научно-техническая задача построения модели нечеткого реляционного сервера данных для автоматизированного проектирования не решена в науке и практике.

С учетом вышесказанного разработка расширенной реляционной модели, адекватной проектной информации, и структурно-функционального решения, учитывающего современные (клиент-серверные) технологии, является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы. Целью диссертации является исследование особенностей проектной информации и разработка информационного обеспечения автоматизированного проектирования на основе расширенной нечеткой реляционной модели данных.

Для нечеткой реляционной модели данных необходимо разработать структурно-функциональное решение.

Таким образом, объектом исследования является информационное обеспечение САПР, а субъектом исследования — фактор неполноты проектной информации, представимой в репозитарии проекта.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1. Исследовать особенности проектной информации. Провести сравнительный анализ результативности современных моделей неопределенности для задач организации информационного обеспечения САПР. Изучить ранее разработанные реляционные модели данных, учитывающие нечеткость атрибутов объектов и сделать вывод о возможности их применения для организации баз данных проектирования.

2. Разработать модель, расширяющую реляционную модель с точки зрения возможности представления и обработки нечетких данных. Модель должна обладать свойством реализуемости в современных серверах данных.

3. Разработать алгоритмы выполнения операций модифицированной реляционной алгебры для случая, когда отношения и кванторы запроса являются нечеткими. Построить подмножество языка запросов SQL (Fuzzy SQL).

4. Разработать структурно-функциональное решение нечеткого реляционного сервера данных для автоматизированного проектирования.

5. Реализовать программную систему, выполняющую хранение неполной проектной информации и обработку гибких нечетких запросов.

6. Выполнить на основе нечеткого реляционного сервера данных конструкторскую базу данных, допускающую гибкие нечеткие запросы для конкретных проектных организаций. Оценить на основе внедрения результативность нечеткого реляционного сервера.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались аппарат реляционной алгебры, методы представления знаний, совокупность теорий, обобщенных направлением мягких вычислений, и проектирования программных систем.

В качестве инструментальных средств использовались: сервер баз данных Oracle8i, Java Developer Kit (Sun Microsystems), Pro*C (Oracle), ANSI С (Hewlett Packard).

Научная новизна. В работе проведено исследование проблемы, в котором новыми являются следующие результаты:

1. Предложена новая модель хранения кортежей реляционной базы данных с нечеткими атрибутами. Отличие построенной модели от известных заключается в том, что для организации среды хранения функций принадлежности используется кусочно-линейная аппроксимация функций. Модель позволяет представить в базе данных неопределенные проектные решения.

2. Впервые построена модифицированная расширенная реляционная модель данных, отличающаяся от ранее известных тем, что операции проекции, выбора и соединения выполняются для кортежей с нечеткими атрибутами. Модель позволяет использовать нечеткие отношения и нечеткие квантификаторы в расширенном реляционном запросе. Предложено определение базового предиката равенства на основе дефаззификации пересечения функций принадлежности атрибутов.

3. Разработано новое структурно-функциональное решение нечеткого реляционного сервера данных на основе хранимых процедур и триггеров сервера данных.

Практическая значимость работы. Научно-исследовательская работа над разделами диссертации выполнялась в соответствии с рядом госбюджетных НИР: «Информационные системы в экономике», в рамках хозяйственного договора 40/206−01 с ФГУП «Ульяновский механический завод», в составе программы международного сотрудничества ERUDIT (European Network in Uncertainty Techniques Developments for Use in Information Technology).

Практическая ценность полученных результатов состоит в следующем:

1. Созданная программная система — нечеткий реляционный сервер данных позволяет организовывать информационное обеспечение САПР. На основе нечеткой реляционной модели данных можно создавать как репозитарий текущего проекта, так и архив проектных решений. Для ФГУП «Ульяновский механический завод» была построена на его основе конструкторская база данных.

2. Созданная программная система является инструментом для исследования расширенной реляционной модели данных. Наиболее перспективным направлением исследований является исследование свойств новой модели (нормальные формы, функциональные зависимости).

3. Созданная программная система используется в учебном процессе по дисциплинам «Базы данных» и «Введение в теорию нечетких множеств» на кафедре «Информационные системы» Ульяновского государственного технического университета.

Достоверность результатов диссертационной работы. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами математического моделирования, результатами экспериментов и испытаний, а также результатами использования материалов диссертации и разработанных систем в проектных организациях и на производстве.

На защиту выносятся:

1. Модель нечеткой системы управления базами данных, позволяющая организовать хранение и обработку нечетких чисел, представленных в виде кусочно-линейных функций принадлежности. Модель расширяет существующую реляционную модель данных.

2. Алгоритмы выполнения нечетких реляционных и арифметических операций, позволяющие обрабатывать нечеткие запросы, содержащие лингвистические термины.

3. Структурно-функциональное решение нечеткой системы управления базами данных реализованное в рамках существующего промышленного сервера данных как активная совокупность триггеров и хранимых процедур и позволяющее организовывать конструкторские базы данных и представлять в них проектную информацию с неопределенностью.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации и практические рекомендации использованы в ФГУП «Ульяновский механический завод» в форме конструкторской базы данных.

Программа управления нечеткими данными FuzzyData Manager зарегистрирована в Информационно-библиотечном фонде Российской Федерации.

Научные и практические результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в Ульяновском государственном техническом университете.

Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими документами о внедрении.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и получили одобрение на 6 международных и 4 всероссийских конференциях. Неоднократно основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях различного уровня в Ульяновском государственном техническом университете, а также на 7-ой национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием.

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 1 журнальная статья, 9 статей в материалах международных и российских конференций, 1 информационная карта регистрации программы, 1 отчет о результатах НИР и 5 тезисов докладов.

Личный вклад. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно.

Основные выводы и итоги:

1. Выполнен научный анализ современных работ в области информационного обеспечения САПР, рассмотрены перспективы постреляционных СУБД, проанализированы возможности применения в ходе автоматизированного проектирования ранее созданных расширенных реляционных моделей данных.

2. Построена модель представления и среда хранения кортежей с нечеткими атрибутами в рамках существующего сервера данных. Модель реализуема на уровне схемы данных и может быть представлена служебными рабочими таблицами.

3. Построена расширенная реляционная алгебра, учитывающая неопределенность данных, и алгоритмы реализации основных ее операций (проекция, выбор, соединение) для случая кортежей, содержащих нечеткий атрибут. Построено дополнительное подмножество языка SQL для запросов, содержащих нечеткие отношения и нечеткие квантификаторы.

4. Разработано структурно-функциональное решение нечеткой системы управления базами данных. Среда хранения кортежей с нечеткими атрибутами строится как специальная схема данных и набор служебных рабочих таблиц. Реализация инвариантных операций модели выполнена в форме триггеров и хранимых процедур

5. Реализована программная система — нечеткий реляционный сервер данных на основе СУБД Oracle8i.

Построена конструкторская база данных для ФГУП «Ульяновский механический завод». Внедрение подтверждает результативность построенных моделей и алгоритмов. Разработанная система зарегистрирована в Информационно-библиотечном фонде РФ.

Заключение

.

Главным итогом диссертационной работы является разработка модели и алгоритмов нечеткого реляционного сервера данных.