close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Методы и алгоритмы совершенствования решения прикладных задач автоматизированного управления производственными и образовательными процессами на основе лабиринтного подхода

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Запевалина Алена Андреевна
МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РЕШЕНИЯ
ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ И ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫМИ ПРОЦЕССАМИ
НА ОСНОВЕ ЛАБИРИНТНОГО ПОДХОДА
Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление
технологическими процессами и производствами
(в приборостроении)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2016 г.
Работа выполнена на кафедре Информатики и программного
обеспечения вычислительных систем (ИПОВС) в Национальном
исследовательском университете «МИЭТ».
Научный руководитель: Доктор технических наук, проф.
Трояновский Владимир Михайлович
профессор
кафедры
ИПОВС
Национального исследовательского
университета «МИЭТ»
Официальные оппоненты: Доктор технических наук, проф.
Бахтадзе Наталья Николаевна
Зав. лабораторией
Института проблем управления
им. В.А. Трапезникова РАН
Кандидат технических наук, доцент
ТепловаЯна Олеговна
инженер ООО «АСпромт»
Ведущая организация:
АО «ЭЛВИС-НеоТек»
Защита диссертации состоится « Л
2016 г. в /У ;
часов на заседании диссертационного совета Д.212.134.04 при
Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу:
124498, г. Москва, г. Зеленоград, площадь Шокина, дом 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте
Национального
исследовательского
университета
«МИЭТ»:
https://miet.ru/dis.
Автореферат разослан «___»_________________2016 г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета
доктор технических наук, профессор
2
А.А. Шерченков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. Автоматизация и управление
технологическими процессами и производствами являются одними из
ключевых моментов в современном приборостроении, как на этапе
изготовления, так и на этапе подготовки производства и учета его
особенностей при проектировании микроэлектронных изделий.
Успешность решения соответствующих задач зависит от эффективности
используемых методов и алгоритмов.
Ведущей научной организацией в нашей стране является Институт
автоматики и телемеханики (ныне ИПУ им. В.А. Трапезникова РАН),
созданный в 1939 году в составе Отделения технических наук АН
СССР. Его фундаментальные исследования в различных областях
теории управления и её приложений широко известны в нашей стране и
за рубежом. Первый конгресс IFAC был проведен в Москве на базе
Института автоматики и телемеханики в 1940 г. Выдающимися
учеными ИПУ РАН, создавшими целые научные школы и направления,
являются В.С. Кулебакин, В.А. Трапезников, В.С. Пугачёв, Н.С.
Райбман, Б.Н. Петров, М.А. Гаврилов, Н.Н. Шумиловский, Г.В.
Щипанов, Н.Н. Лузин, А.А. Андронов, М.А. Айзерман, П.П.
Пархоменко, А.А. Фельдбаум, Я.З. Цыпкин и другие.
Значительный круг задач по автоматизации удается охватить с
единых позиций благодаря применению системного подхода и тому, что
практически все современные науки построены по системному
принципу.
Основоположниками системного подхода считаются А. А.
Богданов, Л. фон Берталанфи, Э. де Боно, Л. ла Руш, Г. Саймон, П.
Друкер, А.Чандлер, С. А. Черногор, А.Н. Малюта.
В пятидесятых годах XX века системный подход породил
множество
направлений:
системный
анализ,
кибернетика,
системотехника (применение системного подхода в технических
системах), системы автоматизированного проектирования и др. Для
решения глобальных задач в СССР был создан Всесоюзный научно­
исследовательский институт системных исследований при ГКНТ и АН
СССР (ВНИИСИ).
Первая успешная попытка разработки общей теории систем,
описываемых стохастическими дифференциальными уравнениями,
принадлежит акад. В.С. Пугачеву.
Развитием кибернетики как науки об общих закономерностях,
принципах и методах обработки информации и управления в сложных
3
системах, а также созданием автоматизированных систем управления
технологическими процессами и промышленными предприятиями
занимался акад. Глушков В.М. и его школа. Значительный вклад в
развитие системного анализа внесли Д.М. Гвишиани, Г.С. Поспелов,
А.А.Красовский. С 2015 года системные исследования сосредоточены в
Федеральном исследовательском центре на базе Института проблем
информатики РАН.
Как отмечается в литературе, системный подход является не
столько методом решения задач, сколько методом постановки задач.
Поэтому его развитие, разработка новых принципов его использования
представляется актуальной задачей, значимость которой при
современном развитии средств автоматизации и управления
технологическими процессами и производствами лишь возрастает при
решении конкретных задач, образующих сложное, запутанное
переплетение, напоминающее лабиринт.
Назовем «лабиринтным подходом» методы и алгоритмы
повышения эффективности разработки автоматизированных систем за
счет расширения системного подхода путем учета особенностей
ситуаций, характерных для лабиринта.
Объект и предмет исследований
Объектом исследований являются системы автоматизации и
управления технологическими процессами и производствами.
Предметом исследований являются методы и алгоритмы анализа
сложных объектов и систем в задачах микроэлектроники и
приборостроения, а также родственных задачах образовательных
процессов.
Проблемная ситуация, сложившаяся в области объекта
исследований, определяется тем, что практически все современные
науки построены по системному принципу, однако, их использование
при решении конкретных задач образует сложное, многосвязное
переплетение, напоминающее лабиринт. При описании и анализе таких
систем
возникает
необходимость
введения
дополнительных
структурных элементов, свойственных лабиринту, и соответствующих
кибернетических и математических моделей.
4
Цель и задачи исследований
Целью исследований является разработка методов и алгоритмов
лабиринтного
подхода
для
решения
прикладных
задач
автоматизированного
управления
производственными
и
образовательными процессами.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи,
отраженные в названиях глав диссертации:
- анализ методов и алгоритмов в задачах автоматизированного
управления
производственными
и
образовательными
процессами;
- формализация анализа сложных объектов и систем управления
на основе лабиринтного подхода;
- разработка методов и алгоритмов для реализации лабиринтного
подхода;
- применение лабиринтного подхода для анализа задач
приборостроения;
- создание обучающей программы для подготовки и повышения
квалификации персонала сложных производств и сравнение
результатов лабиринтного подхода с известными результатами.
Методы исследования. Теоретическую и методическую базу
исследования составили методы системного анализа, теории графов,
теории случайных процессов и теории вероятностей, а также проверка
результатов с помощью компьютерного моделирования.
Научная новизна работы состоит в развитии методов анализа
систем автоматизированного управления производственными и
образовательными процессами за счет введения в рассмотрение
структурных элементов лабиринтного типа.
В процессе исследований получены следующие новые научные
результаты.
1. Установлено, что применение системного подхода при решении
задач приборостроения целесообразно дополнить введением
анализа структурных элементов лабиринтного типа; введена
классификация и установлены свойства таких элементов,
необходимые для разработки методов лабиринтного подхода.
2. Показано, что использование разработанных методов и алгоритмов
лабиринтного подхода повышает эффективность применения идей
5
интеллектуального управления технологическими процессами и
производствами.
3. Показано, что при использовании дискретно-непрерывной модели
непрерывного объекта возникает смещенность коэффициента
передачи модели относительно коэффициента передачи реального
объекта.
4. Показана эффективность распознавания концентрических контуров
изображения с помощью корреляционных методов.
5. Впервые установлены ограничения метода увеличения отношения
сигнал/шум, построенного на основе рекурсивного вычисления
корреляционной функции.
Достоверность новых научных результатов подтверждена
математическим
обоснованием
полученных
результатов,
компьютерным моделированием, а также значительным количеством
приложений,
демонстрирующих
эффективность
применения
лабиринтного
подхода
при решении
задач,
важных для
микроэлектроники и приборостроения.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
- метод анализа сложных объектов и систем на основе
лабиринтного подхода, который расширяет возможности
системного анализа;
- полученное с использованием теории графов формализованное
представление введенных элементов лабиринта позволяет
оценивать эффективность прохождения заданной траектории и
затраты на достижение результата;
- алгоритм
формирования
лабиринтного
представления
прикладных задач приборостроения;
- выявленное на основе лабиринтного подхода наличие
ограничений и неоднозначностей метода обнаружения
гармонических сигналов на фоне помех, построенного на
основе рекурсивного вычисления корреляционной функции;
- программная реализация методики и алгоритмов лабиринтного
подхода в обучающей программе для подготовки и повышения
квалификации персонала сложных производств.
Практическая ценность работы заключается в создании более
мощного инструментария (метода и алгоритмов), применяемого для
анализа проблемной ситуации в конкретной предметной области и при
постановке задачи.
Это позволяет повысить эффективность
последующих работ при проектировании и создании новых изделий и
6
систем, выделить «тонкие моменты» и определить необходимый
математический
аппарат
или
необходимость
компьютерного
моделирования для разрешения определившейся проблемной ситуации.
Результаты имитационного моделирования показали, что
предложенный метод корреляционного обнаружения концентрических
контуров изображения работает до уровня помех, равномерно
зашумляющих изображение по уровню яркости на 2/3. Применение
лабиринтного подхода позволило впервые установить наличие
ограничений и неоднозначностей нового метода обнаружения
гармонических сигналов на фоне помех, мощность которых на
несколько порядков превышает мощность полезного сигнала.
В результате применения разработанных в ходе исследований
методов
и
алгоритмов
время
осуществления
визуального
автоматизированного контроля заготовок печатных плат на
предприятии ООО «РЕЗОНИТ» удалось снизить на 11%.
Самостоятельную практическую ценность имеет обучающая
программа «Лабиринт знаний» с ее методикой наглядного
интерактивного обучения.
Самостоятельную практическую ценность имеет также созданная
мультимедийная
панорамная
презентация,
доступная
для
тиражирования в школах и ВУЗах.
Практическая значимость подтверждена актами внедрения
результатов диссертационной работы в ООО «РЕЗОНИТ» и в учебный
процесс НИУ «МИЭТ» (в учебных дисциплинах «Информатика»,
«Разработка и анализ требований»).
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были представлены
на 17 международных, всероссийских и межвузовских конференциях:
1) Международная
научная
школа
для
молодежи
«Микроэлектронные информационно-управляющие системы и
комплексы - 2010», Москва, МИЭТ, 2010.
2) 18-я, 19-я, 21-я, 22-я Всероссийская межвузовская научно­
техническая
конференция
студентов
и
аспирантов
«Микроэлектроника и информатика-201..», Москва, МИЭТ,
2011-2015.
3) 4-я
Всероссийская
межвузовская
научно-практическая
конференция «Актуальные проблемы информатизации в науке,
образовании и экономике - 2011», Москва, МИЭТ, 2011.
7
4)
5-я, 6-я, 7-я, 8-я Всероссийская научно-практическая
конференция «Актуальные проблемы информатизации в науке,
образовании и экономике - 201..», Москва, МИЭТ, 2012-2015.
5) Инноватика и инновационные процессы в экономике, науке и
образовании. Шестая межвузовская научно-практическая
конференция. Москва, ИГУПИТ, 2012.
6) Тринадцатая международная научно-техническая конференция
«ПИМ-2013» «Проблемы информатики и моделирования».
Харьков, 2013.
7) Third International Conference on the History of Computers and
Informatics in the Soviet Union and Russian Federation. Kazan,
2014.
8) IX
Международная
научно-практическая
конференция
«Современные
информационные
технологии
и
ИТобразование». Москва, МГУ, 2014.
9) The sixth international conference on internet technologies and
applications. Англия, Рэксэм, 2015.
10) Седьмая всероссийская научно-практическая конференция
«Имитационное моделирование. Теория и практика» ИММОД2015. Москва, ИПУ РАН, 2015.
11) III Всероссийская научная конференция «Декартовские чтения».
Москва, МИЭТ, 2016.
Публикации.
Основные результаты диссертации представлены в 29 печатных
работах соискателя (11 работ - без соавторов), в том числе:
- 5 статей в центральных изданиях, входящих в перечень ВАК;
1 монография, изданная в Германии;
1 глава в книге, изданной издательством Springer;
1 статья в сборнике, отраженном в базе данных SCOPUS;
- 3 свидетельства об официальной регистрации программы для
ЭВМ.
Личный вклад автора.
Автором
лично
разработаны
концепция,
структура,
инструментарий, алгоритмы и действующий образец обучающей
программы
«Лабиринт
знаний»,
проведено
моделирование
распознавания концентрических контуров изображения с помощью
корреляционных методов; проведено моделирование работы метода
увеличения отношения сигнал/шум путем последовательного
вычисления автокорреляционной функции.
8
Результаты, содержащиеся в работах, выполненных в соавторстве,
и включенные в диссертацию, получены с участием автора и включены
в диссертацию с согласия и одобрения соавторов этих работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка
литературы и приложений, содержащих листинги программ и акты о
внедрении результатов работы. Диссертация изложена на 150
страницах, включает 42 рисунка и 3 таблицы. Список литературы
содержит 136 источников.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации,
определены объект и предмет исследования, проблемная ситуация,
научная проблема, решаемая в диссертации, цели и задачи
исследования, научная новизна и достоверность новых научных
результатов; сформулированы научные положения, выносимые на
защиту; указаны теоретическая и методическая основы исследования,
определена практическая ценность и значимость работы; приведены
сведения о реализации новых научных результатов работы, их
апробации и публикациях.
В первой главе проведен анализ методов и алгоритмов в задачах
приборостроения. Использование кибернетических принципов при
разработке систем автоматизации ведет к применимости средств
интеллектуальной поддержки процессов управления в различных
сферах технологического производства и других областях человеческой
деятельности, что расширяет круг научных исследований по
специальности 05.13.06 (это отмечается в формуле Паспорта
специальности).
Согласно рейтингу международного книжного издательства Taylor
& Francis Group, техника и технологии занимают вторую строку, а
образование и гуманитарные науки - третью и первую позиции этого
рейтинга. Это подчеркивает важность одного из аспектов создания
автоматизированных систем - необходимость подготовки кадров и их
обучения. Объединение результатов исследований литературы по
системному анализу и методам обучения (свыше 100 источников),
приводит к выводу о наличии аналогий разработки сложных систем
автоматизированного управления и процесса получения знаний с
движением в лабиринте. Соответствующее расширение круга
9
исследований показало, что в традиционном системном анализе не
рассматривается ряд структурных элементов (ветвление, тупики,
вынужденные остановки и др.). Традиционное рассмотрение
лабиринтов, как правило, сводится к задаче поиска путей выхода и
привлечению теории графов.
Можно предположить, что введение в рассмотрение и учет свойств
лабиринтных элементов позволит повысить эффективность разработки
автоматизированных систем управления.
Однако,
отсутствие
соответствующих методов и алгоритмов для таких задач и составляет
проблемную ситуацию в области объекта исследования.
В выводах по первой главе отмечается, что применение системного
подхода при решении задач приборостроения целесообразно дополнить
анализом структурных элементов лабиринтного типа.
Во второй главе рассматривается формализация анализа сложных
объектов и систем управления на основе лабиринтного подхода.
Обоснование процесса формализации проведено на основе
рассмотрения процедур получения знаний и теории графов. Описание
лабиринта введено как ориентированный взвешенный граф
G(In, Out, V, U, T, Pt, Pv, O, Vz, R, S, P),
где V - множество всех вершин, U — множество всех дуг, T множество тупиков, Pt - множество петель, Pv множество
повторений, O - множество вынужденных остановок, Vz - множество
возвратов, R - множество развилок, S - множество всех сумматоров и P
- множество всех объединений, причем, Tc(VxU), Pfc(VxU), Pvc(VxU),
Oc(Vx U), Vzc(Vx U), R c( Vx U), Sc( Vx U), P c ( Vx U).
Проведена формализация и классификация элементов лабиринта.
С их использованием частный процесс накопления знаний представлен
в виде (рисунок 1):
10
Рис. 1. Пример формализации лабиринтного подхода
с использованием графа
Определены свойства введенных лабиринтных элементов, важные
для дальнейшего анализа. В вершинах происходит изменение
параметров объекта и оценка стоимости такого изменения; вводимые
здесь характеристики могут иметь вероятностный характер.
На дугах осуществляется контроль перехода между вершинами и
оценка расходования ресурсов (как, например, время или расстояние),
лабиринтные элементы переходного типа (развилки, сумматоры и др.)
разделяют или объединяют различные траектории движения (см.
рисунок 1).
В выводах второй главы указано:
- Введена классификация элементов лабиринта. Проведена
формализация задачи построения лабиринта на основе теории
графов.
- Для введенных элементов лабиринта проанализированы их
свойства, необходимые для анализа сложных объектов и систем
и оценки эффективности прохождения траектории, а также
затрат на достижение результата.
В третьей главе приведено развернутое описание и результаты
создания методов и алгоритмов.
При анализе процессов создания АСУ, а также процессов обучения
исходный граф формируется на основе системного анализа, и
возникают цепочки переходов от вершины к вершине.
Для анализа их свойств и траектории в целом используются
описанные выше характеристики дуг и вершин, что приводит к
11
функционалам, формально описывающим эффективность реализации и
требуемые затраты.
Для доступа к данным и их последующей эффективной обработки
решено использовать базы данных. С учетом разноплановости данных и
их типов рационально применить принципы, используемые в
репозитариях CASE-технологий.
Таким образом, «лабиринтный подход» приводит к методу,
состоящему из следующих шагов:
1) определение начала и конца траектории;
2) выделение опорных точек на этой траектории и выявление
лабиринтных элементов;
3) установление количественных параметров достигаемого
решения для определения эффективности. Повторное
рассмотрение траектории с целью:
a. построения формализованного графа движения;
b. сохранения полученных сведений в БД;
4) оценка повышения эффективности решения задачи в целом
на основе полученного графа.
Соответствующий алгоритм приведен на рисунке 2.
12
Рис. 2. Схема применения лабиринтного подхода
13
В выводах к третьей главе указано:
-
Разработан метод приведения анализа сложных задач к анализу
лабиринта.
Разработан алгоритм формирования лабиринта и сохранения
результатов в базу данных.
В четвертой главе рассмотрено применение лабиринтного
подхода для решения задач, соответствующих п.п. 4, 6, 15 Области
исследования Паспорта специальности 05.13.06).
1) Корреляционное обнаружение концентрических контуров
изображения.
Применение лабиринтного подхода указывает, что при решении
задачи возникает развилка при выборе метода и тупик при
недостаточной
обоснованности
количественных
характеристик
достигаемой
точности.
Эффективное
прохождение
развилки
достигается при использовании известных корреляционных методов.
Моделирование показало эффективность предложенного решения:
при переменном уровне помех (см. рисунок 3).
Рис. 3. Коэффициенты корреляции изображения и шаблона при
отсутствии (слева) и при наличии шумов (справа).
Выведено соотношение для анализа влияния смещения колец
шаблона и изображения (рисунок 4) в виде
Рис. 4. К схеме анализа результатов смещенности
14
2) Идентификация удаленных динамических объектов.
Развитие средств телекоммуникации позволяет дистанционно
применять интеллектуальные методы изучения характеристик объектов.
Применение лабиринтного подхода указывает, что здесь возможна
развилка при реализации требуемых информационных операций, а
также возникновение дополнительных погрешностей и затрат.
Определена целесообразность использования клиент-серверной
архитектуры. При этом на нижнем (клиентском) уровне осуществляется
четкий и оперативный сбор отсчетов входных и выходных сигналов и
их передача на верхний (серверный) уровень. Здесь проводится их
достаточно сложная обработка с использованием матричных операций,
приводящих к получению конечных результатов идентификации.
Полученные результаты могут пересылаться руководителям и
отправляться на нижний уровень для использования в контуре
дуального управления.
Результаты были доложены в Англии на международной
конференции IEEE и индексированы в SCOPUS.
3) Автоматизированный мониторинг состояния хранилищ с
пополнением запасов.
Данная задача прямо соответствует формуле специальности
05.13.06: «Создание на научной основе автоматизированных
производств и систем управления технологическими процессами, их
последовательная увязка по иерархическим уровням и интеграция в
единую систему сбора и обработки данных и оперативного управления
повышает качество и эффективность всех звеньев производства в
народном хозяйстве».
Для описания процессов движения запасов нефти на терминале
порта, В.М. Трояновским и Ян Лин Аунгом эмпирически обоснована
возможность использования закона Пуассона. В результате, задача
получила строгое вероятностное решение, а системы управления инженерную методику определения доверительных интервалов, в том
числе, при расчетах требуемых объемов хранилища.
С точки зрения лабиринтного подхода, при контроле расходования
малыми порциями регулярно пополняемых запасов возникает
множественная развилка траекторий. Ее трудно описать методами,
традиционно используемыми в логистике, а привлечение лабиринтного
подхода сразу выявляет проблемную ситуацию и сужает круг
математических методов для ее разрешения, в том числе, для
произвольных интервалов времени внутри цикла пополнения запасов.
15
4) Определение вероятностных оценок для резервов времени в
цепочке задач.
Анализ свойств цепочки задач и результатов их последовательной
увязки в единую систему является одной из проблем, указанных в
формуле специальности 05.13.06.
Целые научные конференции, организуемые IFAC, значительную
часть программы уделяют данному направлению. Значительные
трудности вызывает анализ вероятностных процессов в цепочках задач.
В данном случае, привлечение лабиринтного подхода повышает
эффективность такого анализа - в качестве параметра, преобразуемого в
вершинах графа, достаточно ввести расходование резервов времени.
При этом получены результаты, позволяющие описать характер
вероятностной составляющей процесса. Здесь использованы результаты
работ В.М. Трояновского и Е.Л. Румянцевой, где обоснована
возможность снижения порога применимости центральной предельной
теоремы для инженерных приложений.
5) Ограничения при анализе характеристик непрерывного
динамического объекта.
Определение границ применимости решений, используемых при
создании систем автоматизации и управления технологическими
процессами и производствами, является одной из важных задач
методологии построения таких систем, указанных в Областях
исследования Паспорта специальности 05.13.06.
Из теории автоматического управления известно, что статический
коэффициент передачи линейного динамического объекта с
нормированной весовой функцией определяется согласно формуле,
указанной на рисунке 5, что соответствует истинному коэффициенту
передачи объекта.
h {t)
• реакция объекта на
входной сигнал в виде
б-функции
Рис. 5. Объект с линейной структурой
16
При использовании компьютеров и цифровых методов обработки
сигналов с использованием дискретно -непрерывных преобразований,
картина меняется (рисунок 6).
x(t) j
x '(t)
T
h"(t)
j z,(t)
p(t)
J*—
T
T
j n 1(t)= щ x hi
i
Рис. 6. Структура дискретно-непрерывной модели
Таким образом, если скорость вычислений начинает заметно
уступать временным масштабам исследуемого процесса, дискретно­
непрерывная модель процесса вносит существенные искажения даже в
статический коэффициент передачи (как и в динамические
характеристики модели).
Приведенный анализ показывает, что при выборе и использовании
классических математических методов в лабиринтном подходе
существует виртуальные развилки и тупики, связанные в частности, с
привлечением дискретно-непрерывных преобразований.
Результаты опубликованы в виде главы книги издательства
Springer.
6) Лабиринтный подход в процессе обучения
Пример схемы лабиринтного подхода при разработке программы,
разработанной для обучения студентов курсу «Информатика»,
представлен на рисунке 7.
В выводах к четвертой главе указано, что:
Проанализированы возможности и ограничения лабиринтного
подхода для задач приборостроения. Выявлены лабиринтные аспекты и
ограничения в таких задачах, как:
1) корреляционное обнаружение концентрических контуров
изображения;
2) идентификация удаленных динамических объектов;
17
3) автоматизированный мониторинг состояния хранилищ
пополнением запасов;
4) определение вероятностных оценок для резервов времени;
5) анализ процесса обучения;
6) анализ характеристик непрерывного динамического объекта.
с
Рис. 7. Лабиринтное представление процесса обучения
с учетом междисциплинарного взаимодействия
В пятой главе на примере разработки обучающей программы
«Лабиринт знаний» рассмотрены задачи создания инструментария и
методики применения лабиринтного подхода, а также проведен
сравнительный анализ достигнутых результатов с известными и
намечены перспективы развития лабиринтного подхода.
Обучающие программы и тренажеры важны как для системы
образования, так и для подготовки и повышения квалификации
персонала сложных производств. Разработанная программа «Лабиринт
знаний» учитывает эти особенности и содержит такие компоненты, как
18
модель изучаемой дисциплины и модель учащегося, база данных,
подпрограмма адаптации, игровые элементы. Общая схема процесса
обучения с применением программы «Лабиринт знаний» представлена
на рисунке 8.
Рис. 8. Модель процесса обучения с применением
обучающей программы «Лабиринт знаний»
Разработанный инструментарий имеет ряд особенностей. Часть
базы данных содержит описания структуры лабиринта, отражающей
модель дисциплины и междисциплинарные связи. Эта часть базы
доступна для редактирования с помощью специально разработанных
программных инструментов. Во второй части БД протоколируется ход
обучения, что используется для реализации процесса адаптации.
Значительное внимание уделено разработке интерактивных
интерфейсов с игровыми элементами.
Объем программного кода в первой версии программы составил
5,7 Мб.
Программа зарегистрирована в Государственном реестре программ
для ЭВМ. Описание принципов и общее руководство опубликовано в
виде монографии, изданной в Германии.
19
Эффективность
применения
лабиринтного
подхода
демонстрируется на примере
анализа метода обнаружения
гармонических сигналов на фоне помех, мощность которых на
несколько порядков превышает мощность полезного сигнала.
В этом методе, фактически впервые сформулированным С.А.
Останиным, повышение отношения сигнал/шум достигается за счет
рекурсивного вычисления корреляционной функции.
Исходя из соображений стохастичности рассматриваемого
процесса и доступности единственной реализации ограниченной длины,
мы предположили, что при лабиринтном подходе граф решения задачи
должен содержать следующие элементы:
a) развилку на входе, определяющую различные траектории в
графе в зависимости от длины доступной реализации;
b) каждая
вершина
содержит
вероятностную
функцию
преобразования.
Соответствующее моделирование показало:
- учет наличия лабиринтного элемента (а) выявил ограничения в
работоспособности метода в зависимости от длины реализации
(при сокращении длины реализации вдвое полезный сигнал
выделить не удается);
- проверка наличия вероятностной компоненты в функции
преобразования
(b)
подтвердилась
множественностью
достигаемых решений (рисунок 9).
Рис. 9. Результаты рекурсивных расчетов автокорреляционной функции
и накопления результатов на четырех итерациях.
20
В заключительной части данной главы намечены перспективы
развития лабиринтного подхода и его реализации в следующих
направлениях:
1) введение панорамного отображения может увеличить
наглядность
контроля
и
управления
процессами,
распределенными во времени и в пространстве. Например,
результаты диспетчерского контроля могут эффективно
демонстрировать прохождение любой партии в цехе
изготовления микросхем и динамически отображаться в виде
панорамы с указанием достигнутых значений контролируемых
параметров. Имеется задел, закрепленный в 2 свидетельствах о
Государственной регистрации программ для ЭВМ, и в
апробации - демонстрация ветеранам завода «АНГСТРЕМ»
панорамной презентации, посвященной 70-летию Победы в
Великой Отечественной войне;
2) расширение графового представления лабиринтного подхода от
плоского, двумерного - к объемному, многомерному;
3) разработка САПР для полного цикла применения лабиринтного
подхода, включая формирование исходного графа решения
задачи автоматизации технологических процессов, введение
лабиринтных элементов с помощью диалоговых инструментов,
определение характеристик элементов графа с сохранением их
параметров в базе данных, диалоговый выбор рекомендуемых
алгоритмов и др.
В выводах к пятой главе указано, что:
- предложенный лабиринтный подход доведен до программной
реализации «Лабиринт знаний», содержащей модель изучаемой
дисциплины и модель учащегося, базу данных, подпрограмму
адаптации, игровые элементы;
- эта программа, апробированная в учебном процессе, может
применяться при соответствующей настройке для подготовки и
повышения квалификации персонала сложных производств;
- продемонстрирована эффективность применения лабиринтного
подхода
на
примере
анализа
метода
обнаружения
гармонических сигналов на фоне помех;
- намечены перспективы развития лабиринтного подхода.
В приложении приведены тексты и выходные формы для
программ моделирования.
21
В
заключении
сформулированы
основные
результаты,
полученные в ходе выполнения диссертационной работы.
Основные результаты диссертации заключаются в следующем.
1. В результате проведенных исследований установлено, что при
описании и анализе задач автоматизированного управления
производственными и образовательными процессами возникает
необходимость
введения
дополнительных
структурных
элементов, свойственных лабиринту, и соответствующих
кибернетических и математических моделей. Предложено
понятие «лабиринтный подход».
2.
Введена классификация элементов лабиринта. Проведена
формализация задачи построения лабиринта на основе теории
графов. Для введенных элементов лабиринта проанализированы
их свойства, необходимые для анализа сложных объектов и
систем управления.
3.
Разработан метод приведения анализа сложных задач к анализу
лабиринта с целью оценки эффективности прохождения
траектории, а также затрат на достижение результата (включая
вероятностные оценки траекторий и характеристик для цепочки
задач).
4.
Разработан алгоритм формирования лабиринтного представления
задачи с сохранением результатов в базу данных с целью
автоматизации дальнейшей разработки систем управления.
5.
Проанализированы возможности и ограничения лабиринтного
подхода при решении ряда задач приборостроения:
1) корреляционное обнаружение концентрических контуров
изображения (работающее до уровня помех, равномерно
зашумляющих изображение по уровню яркости на 2/3);
2) идентификация удаленных динамических объектов;
3) автоматизированный мониторинг состояния хранилищ с
пополнением запасов;
4) определение вероятностных оценок для резервов времени;
5) анализ процесса обучения;
6) анализ характеристик непрерывного динамического объекта.
6.
Предложенный лабиринтный подход доведен до программной
реализации «Лабиринт знаний», которая содержит такие
22
компоненты, как модель изучаемой дисциплины и модель
обучаемого, база данных, подпрограмма адаптации, игровые
элементы. Программа, апробированная в учебном процессе, при
соответствующей настройке, может применяться для подготовки
и повышения квалификации персонала сложных производств.
Программа зарегистрирована в Государственном реестре. Объем
созданных программ и использованных данных превысил 230
Мегабайт.
7.
Продемонстрирована эффективность применения лабиринтного
подхода на примере анализа метода обнаружения гармонических
сигналов на фоне сильных помех. На основе привлечения
лабиринтного подхода впервые выявлено наличие ограничений и
неоднозначностей метода обнаружения гармонических сигналов
на фоне помех, предложенного С.А. Останиным и построенного
на основе рекурсивного вычисления корреляционной функции.
8.
Рассмотрены перспективы развития лабиринтного подхода,
включая
возможности
панорамного
отображения
демонстрируемой
информации,
расширение
графового
представления лабиринта от плоского к объемному, разработку
САПР для полного цикла применения лабиринтного подхода.
Применение разработанных в ходе исследований методов и
алгоритмов на предприятии ООО «РЕЗОНИТ» позволило сократить
время осуществления визуального автоматизированного контроля
заготовок печатных плат на 11%. Результаты диссертационной работы
внедрены в учебный процесс НИУ «МИЭТ».
Таким образом, в результате выполнения работы были решены
поставленные задачи, цель исследования достигнута.
1.
2.
Основные публикации по теме диссертации
Определение вероятностных оценок для резервов времени как
одна из проблем планирования и управления / В.М. Трояновский,
А.А. Запевалина, Е.Л. Румянцева, О.А. Сердюк // Проблемы
управления. - 2016. - №4. - С. 45-51.
Запевалина А.А. Проблема адаптивности в задаче построения
обучающего
тренажера
//
Вестник
компьютерных
и
информационных технологий. - 2015. - №02. - С. 43-47.
23
3.
Запевалина
А.А.,
Трояновский
В.М.
Аспекты
междисциплинарного взаимодействия при создании обучающих
программ и тренажеров // Естественные и технические науки. 2015. - №9 (87). - С. 117-119.
4. Трояновский В. М., Запевалина А.А. Оценка эффективности
корреляционного обнаружения концентрических контуров
изображения // Оборонный комплекс - научно-техническому
прогрессу России. - 2015. - №4. - С. 3-6.
5. Запевалина А.А.,
Манилов
Д.Ю.,
Трояновский В.М.
Панорамность - новое качество мультимедийных презентаций //
Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 2016. - №2. - С. 3-9.
6. Troyanovskiy V. M., Serdyuk O. A., Zapevalina A. A. Information
Technologies and Web Interfaces as a Platform for Identification of
Remote Dynamic Objects // Proceedings of the sixth international
conference on internet technologies and applications. - Wrexham,
Wales, UK: Glyndwr University, 2015. - P. 323-326.
7. Zapevalina A.A., Troyanovskij V.M., Serdyuk O.A. New Frontiers
and Possibility in the Construction of Learning Systems with Using of
the Educational Program Complex “Labyrinth of Knowledge” // P.
Rozewski et al. (eds.), New Frontiers in Information and Production
Systems Modelling and Analysis. - Switzerland: Springer International
Publishing, 2016. - С. 233-248.
8. Запевалина А.А., Трояновский В.М. Игровая обучающая
программа «Лабиринт знаний». - Saarbrucken: LAP LAMBERT
Academic Publishing, 2012. - 261 с.
9. Запевалина А.А. Обучающая игровая программа «Лабиринт
знаний» // Микроэлектронные информационно-управляющие
системы и комплексы. Международная научная школа для
молодежи. Материалы научной школы. - М.: МИЭТ, 2010. - С.
163.
10. Запевалина А.А. Выбор компонент Borland C++ Builder для
взаимодействия с базами данных в игровой обучающей
программе «Лабиринт знаний» // Микроэлектроника и
информатика - 2011. 18-я Всероссийская межвузовская научно­
техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы
докладов. - М.: МИЭТ, 2011.
11. Запевалина А.А. О подходе к наполнению среды обучающей
игровой программы «Лабиринт знаний» // Актуальные проблемы
24
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
информатизации в науке, образовании и экономике - 2011. 4-я
Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция.
Материалы конференции. - М.: МИЭТ, 2011. - С. 189.
Запевалина А.А. Проблема многокритериальности в задаче
построения эффективного обучающего тренажера // Проблемы
разработки информационных технологий и подготовки ИТкадров: Сборник научных трудов / Под ред. Л.Г. Гагариной. - М.:
МИЭТ, 2012. - С. 38-41.
Запевалина А.А. Расчет коэффициента корреляции при смещении
концентрических контуров изображения // Микроэлектроника и
информатика - 2012. 19-я Всероссийская межвузовская научно­
техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы
докладов. - М.: МИЭТ, 2012. - С. 133.
Запевалина А.А. Обучающая игровая программа «Лабиринт
знаний» как инновационный подход при изучении учебных
дисциплин // Инноватика и инновационные процессы в
экономике, науке и образовании. Шестая межвузовская научно­
практическая конференция. Материалы научных докладов. - М.:
ИГУПИТ, 2012. - С. 138-142.
Запевалина А.А. Использование «лабиринтного» подхода при
построении обучающих тренажеров // Актуальные проблемы
информатизации в науке, образовании и экономике - 2012. 5-я
Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция.
Материалы конференции. - М.: МИЭТ, 2012. - С. 145.
Трояновский В.М., Запевалина А.А. Анализ эффективности
корреляционного обнаружения концентрических контуров
изображения // Проблемы информатики и моделирования. Тезисы
тринадцатой международной научно-технической конференции. Харьков: НТУ "ХПГ, 2013. - С. 72.
Запевалина А.А., Терехина Е.В., Трояновский В.М. Введение
Интернет-технологий и игровых программ в образовательный
процесс студентов и школьников // Актуальные проблемы
информатизации в науке, образовании и экономике - 2013. 6-я
Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция.
Материалы конференции. - М.: МИЭТ, 2013. - С. 177-181.
Запевалина А.А. Многосвязность знаний в контексте обучающих
программ // Микроэлектроника и информатика - 2014. 21-я
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
25
19.
20.
21.
22.
23.
24.
студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2014. - С.
120.
Трояновский В.М., Попова Т.В., Запевалина А.А. Развитие
вычислительной техники, информационных технологий и их
влияние на характер коммуникативных процессов в образовании
// Труды S0RUC0M-2014. Третья Международная конференция
«Развитие вычислительной техники и ее программного
обеспечения в России и странах бывшего СССР: история и
перспективы» 13— 17 октября, Казань, Россия / под ред. А.Н.
Томилина. - Казань, 2014. - С. 357-362.
Запевалина А.А., Манилов Д.Ю. Проблема бесконтактной
синхронизации компьютеров, работающих в общей системе //
Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и
экономике - 2014. 7-я Всероссийская межвузовская научно­
практическая конференция. Материалы конференции. - М.:
МИЭТ, 2014. - С. 93.
Запевалина А.А., Трояновский В.М. Моделирование процесса
обучения с учетом лабиринтной структуры знаний //
Современные информационные технологии и ИТ-образование
[Электронный ресурс] / Сборник научных трудов IX
Международной научно-практической конференции / под ред.
B.А. Сухомлина. - М.: МГУ, 2014. - С. 24-30.
Запевалина А.А. Адаптивность к способностям учащегося как
аспект применения обучающих программ и тренажеров //
Микроэлектроника и информатика - 2015. 22-я Всероссийская
межвузовская научно-техническая конференция студентов и
аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2015. - С. 171.
Трояновский В.М., Останин С.А., Запевалина А.А. Применение
моделирования для анализа возможностей и ограничений метода
увеличения отношения сигнал/шум за счет последовательного
вычисления
автокорреляционной
функции
/
Седьмая
всероссийская научно-практическая конференция «Имитационное
моделирование. Теория и практика» ИММОД-2015: Труды конф..
21-23 окт 2015 г., Москва: в 2 Т. / Ин-т проблем упр. им В.А.
Трапезникова Рос. акад. наук ; под общ. Ред. С М Васильева, P.M.
Юсупова - Т. 2. - М.: ИПУ РАН. 2015. - ISBN 978-5-91450-173-7.
C. 460-465.
Запевалина А.А. Результаты конференции ITA 15 в Англии с
включением в БД Scopus // Актуальные проблемы
26
25.
26.
27.
28.
29.
информатизации в науке, образовании и экономике - 2015. 8-я
Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция.
Материалы конференции. - М.: МИЭТ, 2015. - С. 198.
Трояновский В.М., Запевалина А.А. Через радикальные сомнения
к лабиринту знаний // Экономические и социально-гуманитарные
исследования. - 2016. - № 2 (10). - С. 44-46.
Информационные технологии и инновационные решения для
повышения эффективности музейных экспозиций и их
применения в учебном процессе / Е.В. Григорьевская, А.А.
Запевалина, И.С. Набиуллин, В.М. Трояновский // Экономические
и социально-гуманитарные исследования. - 2016. - № 2 (10). - С.
114-119.
Трояновский В.М., Запевалина А.А. Игровая обучающая
программа «Лабиринт знаний» / СВИДЕТЕЛЬСТВО о
государственной регистрации программы для ЭВМ №
2012611461 // Заявка № 2011619605. Дата поступления 15 декабря
2011 г. Дата государственной регистрации в Реестре программ
для ЭВМ 7 февраля 2012 г.
Трояновский В.М.,
Запевалина А.А.,
Манилов
Д.Ю.
Управляющая программа для многокомпьютерной системы
«Мультимедийная
панорама»
/
СВИДЕТЕЛЬСТВО
о
государственной регистрации программы для ЭВМ №
2015612230// Заявка № 2014663299. Дата поступления 19 декабря
2014 г. Дата государственной регистрации в Реестре программ
для ЭВМ 16 февраля 2015 г
Трояновский В.М., Запевалина А.А. Программа синхронизации
сценариев
работы
в
многомашинных
системах
/
СВИДЕТЕЛЬСТВО о государственной регистрации программы
для ЭВМ № 2015612231 // Заявка № 2014663300. Дата
поступления 19 декабря 2014 г. Дата государственной
регистрации в Реестре программ для ЭВМ 16 февраля 2015 г.
Подписано в печать:
Формат 60x84 1/16 Уч.-изд.л.
Тираж
экз. Заказ
Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.
124498, г. Москва, Зеленоград, пл. Шокина, д.1, МИЭТ.
27
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа