Тезисы докладов автора проекта

Акимов С.В. Оптимизационный модуль для систем автоматизированного проектирования // 58-я НТК: материалы / СПбГУТ. СПб, 2006. С. 117.

Одним из сдерживающих факторов внедрения оптимизационных алгоритмов, и в частности, алгоритмов нелинейного математического программирования, является огромное разнообразие математических моделей и целевых функций, с которыми должны взаимодействовать данные алгоритмы.

Поэтому была разработана архитектура каркаса приложения оптимизационного модуля, инвариантная математической модели и целевой функции.

В каркас приложения входят объекты классов оптимизационного модуля, целевой функции и оптимизационного алгоритма, а также ряд вспомогательных классов. Абстрактные классы целевых функций и оптимизационных алгоритмов обеспечивают взаимодействие объектов конкретных алгоритмов, конкретных целевых функций и математических моделей.

Для обеспечения выбора конкретного алгоритма использован паттерн «Стратегия», а для связи с системой компьютерного моделирования – паттерн «Адаптер».

Разработчик алгоритма создает класс, являющийся потомком абстрактного класса алгоритмов, который предоставляет единый интерфейс для всех оптимизационных алгоритмов, и в котором собрана функциональность, общая для всех алгоритмов. Таким образом, разработчик алгоритмов может сосредоточиться исключительно на бизнес-логике алгоритма и не заботиться о вспомогательных процедурах, размерности вектора рабочих параметров и конкретной целевой функции. Все это обеспечивается классами каркаса приложения.

Каркас оптимизационного модуля был протестирован на примере алгоритма случайного поиска глобального экстремума при минимизации нескольких тестовых целевых функций.

Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, что данный модуль и архитектура, положенная в его основу, должны способствовать упрощению реализации алгоритмов нелинейного математического программирования и унификации взаимодействия оптимизационных модулей с системами компьютерного моделирования и САПР.

Акимов С.В. Интернет-проект, посвященный проблемам автоматизации структурно-параметрического синтеза // 58-я НТК: материалы / СПбГУТ. СПб, 2006. С. 117-118.

В данный момент особо остро стоит проблема интеграции научно-технических знаний, которая невозможна без обеспечения междисциплинарных коммуникаций. Решению данной проблемы во многом могут содействовать научные информационные порталы, как общенаучные, так и посвященные отдельным дисциплинам.

При создании таких порталов необходимо максимально учитывать особенности представления знаний в Интернет, так как научный интернет-портал не должен копировать справочники на традиционных носителях, заменяя их, а должен дополнять их, максимально используя возможности интернет-технологий и «Всемирной паутины».

Рассмотрена фреймовая архитектура научного информационного портала, положенная в основу сайта проекта «Structuralist», посвященного проблемам автоматизации структурно-параметрического синтеза (http://www.structuralist.narod.ru). Такая архитектура максимально учитывает особенности представления знаний в Интернет и обеспечивает поддержку как внутридисциплинарных, так и междисциплинарных коммуникаций.

Так как научный информационный портал должен представлять собой информационное ядро дисциплины, которую он представляет, то помимо ссылок на сайты, посвященные данной тематике, должен содержать и другую информацию.

Сайт проекта имеет фреймовую архитектуру, являясь сетью фреймов, представляющую научную дисциплину (автоматизация структурно-параметрического синтеза), и содержит следующие основные разделы: энциклопедический словарь; полнотекстовые материалы; информацию о программном обеспечении; библиографический каталог; каталог интернет-ресурсов; форум.

Предложена фреймовая архитектура научного информационного портала, максимально учитывающая особенности представления информации в Интернет, по сравнению с существующими порталами.

Информационный портал, имеющий такую архитектуру:

• является фреймовой моделью дисциплины, что способствует интеграции знаний внутри дисциплины;
• ввиду наличия гиперссылок на другие научные интернет-ресурсы способствует стимуляции междисциплинарных коммуникаций и исследований, способствуя общенаучной интеграции знаний.

Акимов С.В. Лингвистическое обеспечение моделирования морфологического мно-жества // 57-я НТК: материалы / СПбГУТ. СПб, 2004. С. 101-102.

Для проведения структурно-параметрического синтеза и оптимизации необходимы математические модели, принципиально отличные от моделей, применяемых в случае параметрического синтеза и оптимизации. Так при параметрическом синтезе, осуществляемом оптимизационными методами, изменяются только параметры модели, в то время как при структурно-параметрической оптимизации кроме того необходимо обеспечить и трансформацию структуры, или говоря математическим языком, необходимы модели со структурно-параметрическим управлением. Модель со структурно-параметрическим управлением является моделью не конкретно взятого устройства, а моделью целого класса устройств. Поэтому такие модели можно назвать универсальными моделями. Универсальные модели могут быть как автономными, когда функциональные характеристики рассчитываются непосредственно в универсальной модели, так и состоящими из модели морфологического множества, дополненного пакетом компьютерного моделирования. В первом случае процесс создания модели является достаточно трудоемким. Во втором случае про-исходит естественное разделение представления знаний, относящихся к морфологическому и функциональному моделированию, причем функциональное моделирования выполняется в специализированных пакетах. Так как пакеты компьютерного моделирования в настоящее время получили широкое распространение, то проблема моделирования морфологического множества становится особенно актуальной.

В докладе предложен язык Structuralist, специально предназначенный для моделирования морфологического множества. Этот язык имеет следующие основные структуры: модуль, классификационный признак, значение классификационного признака, связь, ограничения на модуль и на классификационный признак, а так же итератор. Это позволяет моделировать морфологическое множество на уровне идентификации гораздо более удобным способом, чем в случае использования морфологических таблиц или деревьев. Причем с его помощью становится естественным моделирование морфологического множества на различных иерархических уровнях: от системного уровня, до уровня нераз-ложимых элементов, чего добиться с помощью морфологических деревьев и таблиц чрезвычайно сложно.

Уровень спецификации подразумевает использование таких понятий и соответственно структур языка, как словарь спецификаций и правила генерации спецификаций. Модель уровня спецификаций позволяет по модели уровня идентификации получить спецификацию моделируемого устройства на входном языке используемого пакета моделирования, где и будут вычислены функциональные характеристики объекта. Совокупность модели морфологического множества и пакета моделирования представляют собой универсальную модель.

Акимов С.В. 4-уровневая интегративная модель для автоматизации структурно-параметрического синтеза // 57-я НТК: материалы / СПбГУТ. СПб, 2004. С. 102-103.

Для автоматизации структурно-параметрического синтеза необходимо представление различных знаний относящихся той предметной области, к которой относится синтезируемый объект. Это связано с тем, что структурно-параметрический синтез относится к классу NP-трудных задач, для которых на данный момент не существует эффективных универсальных алгоритмов. Поэтому алгоритмы синтеза широко используют различные эвристики, специфич-ные для данной предметной области. Так, например, при синтезе усилителя СВЧ диапазона, существуют эвристики, позволяющие улучшить линейность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), добавляя частотно-зависимые цепи обратной связи или цепи амплитудных корректоров. Это позволит алгоритму синтеза использовать такие эвристики в случае необходимости улучшения такой характеристики. А это в свою очередь даст возможность сделать трансформацию структуры более целесообразной и избежать перебора заранее нерациональных для данного случая вариантов. Но для представления таких эвристик и других знаний необходима специальная модель.

Предложена четырехуровневая интегративная модель, содержащая различные виды знаний, относящиеся к структурно-параметрическому синтезу объектов. Первый уровень представляет собой модель морфологического множества уровня идентификации (М1). Она примерно соответствует морфологическому дереву, только представляет более удобные и развитые способы задания. Такая модель идентифицирует структуру объекта, но не позволяет получить ее спецификацию. Второй уровень (М2) является моделью морфологического множества уровня спецификации и содержит в неявном виде спецификации всех структур объектов, рассматриваемого класса. Третий уровень (М3) – уровень симуляции или универсальных моделей. В нем модель морфологического множества дополнена функциональной моделью. Четвертый уровень (М4) представляет собой уровень интеграции и содержит эвристики, как общие (трансформация прототипа, древовидное и лабиринтное конструирование) так и специфичные для объектов рассматриваемого класса. Каждая модель более высокого уровня иерархии включает в себя все модели более низких уровней, и в совокупности они позволяют представить все знания, необходимые для автоматизации структурно-параметрического синтеза.

Акимов С.В. Принципы построения распределенной системы струкутрно-параметрического синтеза // 57-я НТК: материалы / СПбГУТ. СПб, 2004. С. 103-104.

Предложена распределенная система автоматизированного структурно-параметрического синтеза объектов. В основу такой системы положена мультиагентная технология распределенного искусственного интеллекта. Последнее время различные архитектуры распределенного искусственного интеллекта получают все большее распространение. Это связано с тем, что такие архитектуры позволяют довольно естественно представлять различные виды знания, наделяя ими программных агентов, которые являются аналогами отдельных экспертов. Эти агенты для решения представленных перед ними задач могут объединяться в коалиции, что имеет конкретные аналогии в реальной жизни.

Идея распределенной системы структурно-параметрического синтеза следующая. Создать эффективный алгоритм структурно-параметрического синтеза сколь-либо сложной системы довольно трудно, и он может превысить все мыслимые пределы сложности. Поэтому целесообразно распределить синтез таких систем между отдельными агентами. Каждый агент будет решать какую-то одну задачу, но с высокой степенью эффективности. Так, коллектив, занимающийся длительное время проектированием каких-либо устройств, например, СВЧ-фильтров, может привлечь группу специалистов в области инженерии знаний и искусственного интеллекта для того, чтобы создать агент, который будет способен проводить автоматизированный (а в идеале автоматический) синтез таких объектов. Далее этот агент может быть размещен на сервере, принадлежащем этому коллективу, и посредством Internet он становится доступным пользователем и другим агентам.

Акимов С.В. STRUCTURALIST – язык моделирования морфологического множества // 56-я НТК: материалы / СПбГУТ. СПб, 2004. С. 74.

Одной из проблем структурно-параметрического синтеза, осуществляе-мого при помощи морфологических методов, является создание универсальных моделей, которые моделируют не отдельное конкретно взятое устройство, а це-лый класс устройств. Собственно поиск проектного решения проводится имен-но на таких моделях. Универсальная модель, по сути, является моделью морфологического множества. Морфологическое множество может быть задано с помощью морфологических таблиц, морфологических деревьев и графов. Но такие традиционные методы задания морфологического множества в основном пригодны при работе с одним классом устройств. При попытке детального опи-сания морфологического множества сложных систем морфологические таблицы, деревья и графы становятся громоздкими и трудно читаемыми.

Предложен язык моделирования морфологического множества Structural-ist, позволяющий моделировать морфологическое множество сложных систем. Базовыми конструкциями языка являются модуль, группа вершин, вершина и связь. Structuralist является объектным декларативным языком. За счет использования модульной конструкции можно моделировать сложные системы, раз-бивая их на подсистемы. Предусмотрена параметризация модуля, что позволя-ет, накладывая ограничения, использовать его в различных проектах.

Акимов С.В. Опыт использования универсальной модели лестничной цепи // 56-я НТК: материалы / СПбГУТ. СПб, 2004. С. 74.

Представлены результаты по использованию программно реализованной универсальной модели лестничной цепи. Продемонстрировано, как с помощью такой модели можно быстро задавать структуру исследуемого устройства непо-средственно на морфологическом дереве и проводить вычисления характеристик устройства, в частности АЧХ. Приведены результаты синтеза фильтров различных порядков в различных диапазонах частот при помощи блока опти-мизации. Представлена структура модели, ее отличительные особенности, по сравнению с традиционными моделями, проблемы, возникшие при ее реализа-ции и пути их преодоления. Рассмотрены пути применения аналогичных моде-лей в перспективных системах автоматизированного проектирования, ориентированных на структурно-параметрический синтез и оптимизацию.

Акимов С.В. Архитектура САПР структурно-параметрического синтеза // 56-я НТК: материалы / СПбГУТ. СПб, 2004. С. 75.

Приведена архитектура действующего прототипа САПР структурно-параметрического синтеза Amp 001. Отмечены архитектурные особенности сис-тем проектирования, ориентированных на структурный синтез, в отличие от традиционных САПР, позволяющих, в основном, лишь проводить математиче-ское моделирование проектируемых устройств и параметрическую оптимиза-цию. Показаны пути программной реализации механизма автоматического формирования математических моделей проектируемых устройств по структурному дескриптору. Продемонстрированы результаты объектно-ориентированного проектирования САПР, выполненного на языке UML, а так-же образцы отображения конструкций моделирования на механизмы языка C++.

Акимов С.В. Объектно-ориентированное проектирование САПР транзисторных усилителей СВЧ // 54-я НТК: Тез. док. / СПбГУТ. СПб, 2002. С. 85.

При использовании методологии объектно-ориентированного программирования особо важным этапом является объектно-ориентированное проектирование будущей программной системы. От ее качества во многом зависит успех всего проекта.

Приводятся результаты объектно-ориентированного проектирования (ООП) САПР линейных транзисторных усилителей СВЧ. В результате ООП выявлены основные составляющие системы: модуль моделей, модули оптимизации и целевых функций, модули морфологических деревьев. Модули получились относительно независимыми, что позволяет их использование в других САПР как радиоэлектронного, так и любого другого профиля. Построены диаграммы классов. Моделирование выполнено с использованием спецификации UML в пакете Rational Rose. По результатам моделирования проведена генерация программного кода на языке MS Visual C++ 6 и частичное написание кода, реализующего бизнес логику.

Акимов С.В., Кубалов Р.И. Классификация методик синтеза линейных транзисторных усилителей СВЧ // 54-я НТК: Тез. док. / СПбГУТ. СПб, 2002. С. 85.

Представлена классификация методик синтеза транзисторных усилителей СВЧ, как реально существующих, так и гипотетически возможных. Учет последних позволяет получить более целостное представление о проблеме. Все методики можно разделить на методики, не предусматривающие и предусматривающие использование ЭВМ. Они в свою очередь делятся на методики использующие ЭВМ для расчета отдельных узлов усилителя или даже всех узлов но, не предусматривающие сквозное проектирование и методики, обеспечивающие сквозное проектирование усилителя. Методики, обеспечивающие сквозное проектирование могут быть разделены на методики, осуществляющие только параметрический синтез и методики, позволяющие проводить структурно-параметрический синтез. Последние, в свою очередь, так же делятся на несколько групп. Приводится дерево классификации методик, их подробный анализ, а так же список источников, по которым была проведена данная классификация.