Использование онтологического подхода при проектировании многофункционального авиационного индикатора

При создании нового сложного технического устройства, такого как многофункциональный авиационный индикатор, инженер-конструктор должен работать с большим объёмом информации. К современным индикаторам предъявляется большое количество требований в зависимости от области применения, назначения и т.д. Конструктивные недоработки при разработке устройства могут привести к ухудшению технических характеристик конечного изделия. Частичным решением этой проблемы является создание базы знаний (БЗ) по предметной области (ПрО) многофункционального авиационного индикатора. Такая база должна содержать информацию о всех модулях, конструктивных особенностях, материалах и решениях, применяемых в конструировании бортовых систем отображения информации. БЗ позволит инженеру-конструктору направленно генерировать новые технические решения для создания новых индикаторов или улучшения эксплуатационных характеристик уже имеющихся. Формируемую информационную базу необходимо пополнять, своевременно актуализировать и корректно использовать в процессе проектирования нового или усовершенствования существующего устройства. Выполнение перечисленных задач, а также поиск и выяв- ление оптимальной компоновки индикатора является трудоёмкой задач ей, так как подразумевает обработку больших объёмов информации и её последующий экс пертный анализ. Для решения задачи концептуального и эскизного проектирования авиационного индикатора предлагается использовать онтологический подход. Использование онт ологии в качестве БЗ обосновано возможностью наиболее цельно представить сведения о Пр О, включая понятия, их свойства и отношения. Кроме того, имея онтологию, можно получить логические следствия, т.е. получить факты, которые не представлены в онтологии буквально, но следуют из её семантики. Наиболее важным является получение из онтологии д анных, подлежащих дальнейшей математической обработке, что позволяет разработать мет одику оптимального проектирования авиационного индикатора в условиях многокритериальн ости.

Рисуно к 1– Схема работы польз о вателя с он т ологией

В ро л и пользователя выс т упает ин ж енер-разр а ботчик и н дикатора, делающи й запрос к онтологи и посредством спец и ального и н терфейса. Програм м ная сист е ма преоб р азовывает запрос по л ьзователя, забирает и обрабат ы вает дан н ые из онт о логии, в ы даёт отве т пользователю в ви д е готового проектного решени я .

1    Создание онтологии предметной области авиационного индикатора

Для с о здания семантическ о го графа онтологии авиацион н ого инди к атора исп о льзовался Protégé – свободный, открытый редакто р онтологий и фреймворк для п остроени я БЗ. Онтологии, по с троенные в Protégé, могут быт ь экспорт и рованы во множеств о формато в , включая RDF (RD F Schema), OWL и X M L Schem a [1].

Точная спецификация ПрО – основная задача онтологии. Онтология определяет общий словарь для специалистов, которым нужно совместно использовать информацию в ПрО. Онтология авиационного индикатора содержит основные понятия ПрО, т акие как: характери- стики индикатора (масса, габариты, надёжность, стоимость, энергопотребление, вибромеха-ническая прочность, ремонтопригодность, оптические показатели и т.д .), модульный состав (модуль питания, модуль дисплейный, вычислительный модуль и т.д.), теплоотведение (пассивное, принудительное), электромагнитная совместимость, конструкционные материалы (сталь, алюминий, оргстекло, рассеивающие и светоусиливающие плёнки, клеи, герметики и т.д.), документация, программное обеспечение и т.д. Точное представление связей между зафиксированными концептами впоследствии кодируется на формальном языке. В процессе кодирования эти концепты используются для создания классов, подклассов, связей и ограничений отношений между ними. Учесть взаимосвязь объектов онтол огии - важная часть разрабатываемой БЗ. Пример взаимосвязи понятий из области проектир ования авиационного индикатора - когда значения таких параметров, как масса, габариты, стоимость, механическая прочность зависят от выбора конструкционных материалов изделия. Или, например, светотехнические параметры зависят от конструктивных особенностей модуля подсвета, что в свою очередь также связано с энергопотреблением и проблемой теплоотведения. Кроме того, в индикаторах могут использоваться р азличные сенсоры и преобразователи, поэтому надёжность, точность измерений , быстродействие, технологичность зависят от физических принципов датчиков.

Схем а назначения отноше н ий онтол о гии предс т авлена на рисунке 2, где изоб р ажены два класса (множества) индивидов: «Индика т оры» и «Модули». И ндивиды к ласса «Индикаторы» связаны с индивидами множес т ва «Мод у ли» свойством объектов «hasM o dule», ко т орое означает наличие в составе индика т ора каког о -либо модуля. Кроме свойств о бъектов, к онцепты в Protégé могут иметь свойства данных. Н апример, индивид ы класса « И ндикато р ы» имеют свойство д анных «hasMass» т и па integer, обозначающее расч ё тную мас с у конкрет н ого индикатора. На таких триплетах ст р оится вся о нтология .

^ “kOOO" xsdinteger

Рисунок 2 – Свойств а объектов и свойства дан н ых в онтол о гии

Редактор онтологий также позволяет накладывать дополнительные ограничения на свойства объектов, например, в виде создания иерархии свойств, по аналогии с иерархией классов и подклассов. На рисунке 3 изображена связь индивида множества «Индикаторы» c индивидом из множества «Модули_дисплейные» через подсвойство «hasDisplayModule» свойства «hasModule». Подсвойство «hasDisplayModule» является определяющим для всего класса «Индикаторы», т.к. все индикаторы должны иметь в своём составе дисплейные модули. Также в качестве дополнительного ограничения, например, свойство объекта можно сделать функциональным, т.е. применимым к объекту только единожды. Свойство «producedBy» в созданной онтологии обозначает предприятие, разработавшее индикатор, и, следовательно, должно быть функциональным. Все описания классов и заданные отношения между ними требуются для создания более широкой и глубокой семантической паутины с

Созда н ная онтология виз у ализирует с я в виде графа [2]. На рисун к е 4 показан пример структур ы и отношений онто л огии ави а ционного индикатора, построе н ной с по м ощью редактора P r otégé.

Рисуно к 4 – Структу р а и отноше н ия ПрО в виде графа

целью об р ащения к ней с инф о рмационн ы ми запро с ами.

Рис у нок 3 – Отношения объ е ктов в онтологии

2    Экспертная система на основе онтологии с нечёткой логи кой

Целью разработки онтоло г ии авиац и онного индикатора я вляется с о здание н а её основе экспертной системы (ЭС) пом о щи при п роектировании. Вхо д ными дан н ыми так о й системы являются требования техниче с кого зада н ия на раз р аботку н о вого изде л ия, а на в ыходе система до л жна выдавать реком е ндации и н женеру-проектиров щ ику по к о нструкци и и компоновке. Дл я создания аппарата, способно г о моделировать чел о веческие р ассужден и я и объяснять чело в еческие приёмы пр и нятия ре ш ений в хо д е решени я задачи п р оектиров а ния, предлагается использовать нечётк у ю логику . Ввод не ч ёткой лог и ки в онт о логию на п равлен на расширение возможности классической л огики и п о зволяет п р именять к онцепци ю неопределённости в логических вывода х [3, 4].

Нечёт к ая онтология, которую описа л Silvia Calegari [5], - э то онтол о гия, допо л ненная нечёткими в еличинами. Задать н е чёткую о н тологию можно дву м я функци я ми:

• f: ( Кл а ссы U Индивиды ) х С войства ^ Величин а _ свойств а х [0,1] ,

напри м ер, f: ( МодульА , вес ) ^ ( тяж е лый , 0.8);

д: ( Классы U Индивиды ) х ( Свойства U Величи н а _ свойства ) ^ [0,1] , напри м ер, д: ( МодульА , де ш евый ) ^ 0.4.

Нечёт к ая онтология содер ж ит комби н ации функций f и g при помо щ и логических операторов И и ИЛИ.

Для этого некоторые кон ц епты онто л огии пол у чают сте п ень прин а длежност и (membership degre e ) (md) ^ [0,1] . Эт а степень о п ределяется явным образом в в иде функ ц иональной зависимо с ти либо дискретно – путём з а дания ко н ечной по с ледовател ь ности зн а чений [6]. Фрагмент структуры нечёткой онтологи и в рассмот р енной ПрО показан на рисунк е 5.

Рисунок 5 – Ст р уктура нечё т кой онтоло г ии авиационного индика т ора

В качестве примера функционирования ЭС помощи при проектировании индикатора рассмотрен процесс рекомендации выбора типа подсвета при различной диагонали экрана и требуемой яркости проектируемых изделий. Размер диагонали и яркость экрана определены техническим заданием на проектирование. Для занесения этой информации в онтологию был создан класс «НоваяКомпоновка», в котором содержатся некоторые индивиды, представляющие проектируемые индикаторы. Индивидам класса «НоваяКомпоновка» присвоено свойство «hasConstrDiag» со значением диагонали экрана и свойство «hasBrightness» со значени- ем требуемой яркости. Создан класс «Диагональ_экрана» с лимитирующими концептами «Малая» и «Большая» с соответствующими значениями 6 и 10, привязанными через свойство «hasLimitValue». Лимитирующие значения необходимы для задания функции принадлежности диагонали экрана к классу «Малая» или «Большая», также индивидам присвоено свойство «hasSmallDiag» для представления функции fмалая диагональ, определяющей степень принадлежности значения диагонали экрана к нечёткому понятию «Малая». Графическое изображение функции принадлежности нечёткого множества fма,lая_диагональ представлено на рисунке 6. Аналогичным образом задаётся функция принадлежности значе ния яркости к классу «Высокая» fвысокая с лимитирующими значениями а и b.

Занес е ние функций прина д лежности в онтологию осуществляется п осредств о м написания SWR L -правил [7, 8], которые выгляд я т следующим образ о м:

НоваяКомпоновка(?c)^has L imitValue (S mall,?s)^ h asConstrDIag(?c,?d) ^ swrlb:less T hanOrEqu al(?d,?s) - > hasSMallDiag(?c,1. 0 )

НоваяКомпоновка(?c)^has L imitValue (L arge,?l)^ h asConstrDIag(?c,?d) ^ swrlb:gre a terThanOr Equal(?d,?l) ->hasSMallDiag(? c ,0.0)

НоваяКомпоновка(?c)^has L imitValue (S mall,?s)^ h asLimitVa l ue(Large, ? l)^hasCon s trDIag(?c, ?d)^swrlb:greaterThan(?d,?s)^s w rlb:lessTh a n(?d,?l)^swrlb:subtr a ct(?r,?l,? d) ^swrlb:su b tract(?sub, ?l,?s)^swrlb:divide(?div,?r,?sub ) ->hasSm a llDiag(?c, ? div).

Рисунок 6 – Графическ о е изображе н ие функций принадлежности нечётк и х множеств

Для с о здания правила мог у т использоваться вс т роенные в SWRL ф у нкции дл я вычислений: swrlb:add (сумма), swrlb: s ubtract (ра з ница), swrlb:divide (отношени е ), swrl:mu l tiply (произведение).

Согласно заданному прав и лу, диаго н аль экрана меньше 6 дюймов п ринадле ж ит к понятию «Малая» со значением ф у нкции пр и надлежно с ти равны м 1, диаго н аль боль ш е 10 дюймов имеет степень принадлеж н ости к кл а ссу «Мал а я» равную 0. Диагон а ли экран а от 6 до 10 дюймов относятся к понятию «Малая» с о значени е м функции принадл е жности в диапазоне 0…1.

Выбо р рекомендуемого типа подсве т а происходит в зави с имости о т диагонали экрана и яркости. Условно для индикат о ров с ма л ой диагон а лью реко м ендовано использовать задний тип подсвета, т.к. он обеспечи в ает лучш и е светотехнические характери с тики, а д л я больших диагонал е й предпочтительнее и спользов а ть торцевой подсвет, ввиду ег о меньшег о энергопотреблени я и меньших габарит о в. Однако торцевой п одсвет м о жно испо л ьзовать и при малых диагонал я х, если не требуется в ысокая я р кость.

Для выбора рекомендуем о го типа п одсвета необходимо задание н ескольки х нечётких «ЕСЛИ-Т О » правил вывода Э С .

Правило 1. Если Диагонал ь _Экрана М алая И Яркость Выс о кая , то П о дсвет Зад н ий.

Правило 2. Если Диаго н аль_Экра н а Малая И Ярко с ть Низка я , то По д свет Зад-ний/Торцевой.

Правило 3. Если Диагонал ь _Экрана Б ольшая И Яркость Н и зкая , то П одсвет То р цевой.

Правило 4. Если Диагонал ь _Экрана Б ольшая И Яркость В ы сокая , то Подсвет То рцевой.

Правила представляются в виде табл и цы 1.

Таблица 1 – Правила вывода эксперт н ой систем ы

Нечёткое правило, №	1	2	3	4
Диагона л ь_экрана	Малая	Малая	Большая	Боль ш ая
Яркость	В ысокая	Низкая	Низкая	Высо к ая
Рекомен д уемый_подсвет	Задний	Торцево й /Задний	Торцевой	Торце в ой

Для к о мбинирования неце л очисленн ы х значен и й истинн о сти в неч ё ткой лог и ке определяется эквиваленты операций И , ИЛИ, Н Е Т [9,10]:

p1 И p2 = min( p1 , p2 ) (т.е. м еньшее);

p1 И Л И p2 = max( p1 , p2 ) (т.е. больше е );

НЕ p1 = 1- р1 (т.е. обратное значение).

Оператор «И» в правилах 1-4 указ ы вает на то, что коэ ф фициент и стинност и правил и значение нечёткой переменно й «Рекоме н дуемый_подсвет» рассчитыва е тся как м еньшее из значений н ечётких переменны х «Диагон а ль_экрана» и «Ярко с ть» для ка ж дого пра в ила.

В дальнейшем необходимо провест и процесс дефаззиф и кации дл я получен и я чёткого (численного) значения рекомендации. Используем одноэлем е нтную ф у нкцию дл я подсчёта общего коэффициента рекоме н дации (R V ) [7], показанную н а рисунке 7 , и произведём средневзвешенный расчёт по фор м уле (1). С т епень ре к омендаци и разделен а на три у р овня: задний (20 е д иниц), торцевой/зад н ий (50 ед и ниц) и то р цевой (80 е диниц).

(zRVx20) + (tzRVx50)+(tRVx80)

RV —-----------------------, zRV+tzRV+tRV где: RV – общий коэффициент рекомендации, zRV – коэффициент истинности для первого правила (Рекомендуемый_подсвет Задний), tzRV – коэффициент истинности для второго правила (Рекомендуемый_подсвет Торце-вой/Задний), tRV – коэффициент истинности для третьего и четвёртого правил (Рекомендуе-мый_подсвет Торцевой).

Задний или

11 1 & 1 c: Qj

Задн

ий     тори

едой       To

рцебой

20          50          80         100

Коэффициент рекомендации

Рисунок 7 – Г рафик функ ц ии для расчёта коэффиц и ента реком е ндации

Нечёт к ие правила 1-4 и р а счёт обще г о коэффициента ре к омендаци и RV зано с ятся в онтологию при помощи языка S W RL:

hasSmallDiag(?c,?smd)^ ha s HighBrigh t ness(?c,?hbr)^ swrlb:lessThanO r Equal(?smd,?hbr) -> hasZReco m mendationValue(?c,?smd)

hasSmallDiag(?c,?smd)^ hasHighBrightness(?c,?hbr)^ swrlb:lessThanOrEqual(?hbr,?smd) -> hasZRecommendationValue(?c,?hbr)

hasSmallDiag(?c,?smd)^ hasHighBrightness(?c,?hbr)^ swrlb:subtract(?lbr,1,?hbr)^ swrlb:lessThanOrEqual(?smd,?lbr) -> hasTZRecommendationValue(?c,?smd)

hasSmallDiag(?c,?smd)^ hasHighBrightness(?c,?hbr)^ swrlb:subtract(?lbr,1,?hbr)^ swrlb:lessThanOrEqual(?lbr,?smd) -> hasTZRecommendationValue(?c,?lbr)

hasSmallDiag(?c,?smd)^ swrlb:subtract(?larmd,1,?smd)^ hasHighBrightness(?c,?hbr)^ swrlb:subtract(?lbr,1,?hbr) ^ sqwrl:makeBag(?bag,?lbr,?hbr)^ sqwrl:max(?max,?bag) ^ swrlb:lessThanOrEqual(?larmd,?max) -> hasTRecommendationValue(?c,?larmd)

hasSmallDiag(?c,?smd)^ swrlb:subtract(?larmd,1,?smd)^ hasHighBrightness(?c,?hbr)^ swrlb:subtract(?lbr,1,?hbr) ^ sqwrl:makeBag(?bag,?lbr,?hbr)^ sqwrl:max(?max,?bag) ^ swrlb:lessThanOrEqual(?max,?larmd) -> hasTRecommendationValue(?c,?max)

hasZRecommendationValue(?c,?zRV)^ hasTZRecommendationValue(?c,?tzRV)^ hasTRecom-mendationValue(?c,?tRV)^

swrlb:multiply(?mul1,?zRV,20.0)^ swrlb:multiply(?mul2,?tzRV,50.0)^

swrlb:multiply(?mul3,?tRV,80.0)^ swrlb:(?add1,?mul1,?mul2,?mul3)^

swrlb:add(?add2,?zRV,?tzRV,?tRV)^ swrlb:divide(?RV,?add1,?add2)-> hasRecommendationVal-ue(?c,?RV).

На основе общего коэффициента рекомендации ЭС выбирает тип подсвета. При значении 20≤RV≤45 рекомендуемый подсвет Задний, при 45

Свойства «hasRecommendedBckl» и «hasRecommendationValue» интерпретируют рекомендуемый тип подсвета и общий коэффициент рекомендации RV. Для этого необходимо задать SWRL правило:

НоваяКомпоновка(?c)^ hasRecommendationValue(?c, ?x)^ swrlb:lessThanOrEqual(?x, 45)-> hasRecommendedBckl(?c, «Задний»)

НоваяКомпоновка(?c)^ hasRecommendationValue(?c, ?x)^ swrlb:lessThan(?x, 55)^ swrlb:greaterThan(?x, 45) ->hasRecommendedBckl(?c, «Торцевой или Задний»)

НоваяКомпоновка(?c)^ hasRecommendationValue(?c, ?x)^ swrlb:greaterThan(?x, 55) -> hasRecommendedBckl(?c, «Торцевой»).

Вывод результатов производился при помощи SQWRL-запросов [11], создание которых, как и правил SWRL, происходит в плагине к редактору онтологий Protégé. В таблице 2 представлен результат SQWRL-запроса, отображающий рекомендуемый тип подсвета на основе оценки значения диагонали экрана и яркости проектируемой компоновки. SQWRL-запрос:

НоваяКомпоновка(?n) ^ hasConstrDIag(?n, ?z) ^ hasBrightness(?n, ?x) ^ hasRecommendedBckl(?n, ?bck) ^ hasRecommendationValue(?n, ?v) -> sqwrl:select(?n, ?z, ?x, ?bck, ?v) ^ sqwrl:columnNames(«ТЗ», «Диагональ», «Яркость», «Рекомендуемый тип подсвета», «Коэффициент RV»).

Таблица 2- Результат запроса пользователя к системе

№ п/п	Диагональ экрана, дюймы	^малая_диагональ	^высокая_яркость	zRV	tzRV	tRV	RV	Рекомендуемый тип подсвета
1	5	1	0,8	0,8	0,2	0	26	Задний
2	7	0,75	0,7	0,7	0,3	0,25	39,2	Задний
3	7,8	0,55	0,2	0,2	0,55	0,45	56,3	Торцевой
4	8,5	0,4	0,6	0,4	0,4	0,6	54,3	Задний/торцевой
5	10	0	0,35	0	0	0,65	80	Торцевой
6	15	0	0,9	0	0	0,9	80	Торцевой

Рассмотрим методику расчёта коэффициентов рекомендации на примере случая №3 из таблицы 2. Исходными данными в этом случае были диагональ, равная 7,8 дюйма, и условно низкая яркость подсвета.

• 1)    Значение размера диагонали экрана равное 7,8 дюйма необходимо фаззифицировать.

Согласно заданной выше функции принадлежности с лимитирующими значениями 6 и 10

дюймов (рисунок 6) происходит расчет функции принадлежности нечёткого множества /_малая__{диагонал}ь = ((.0 ⁷^ = 0,55 . Соответственно значение функции принадлежности

¹   fмалая _ диагональ

= 0,45.

।ольшая_диагональ

• 2)    По условию высокая яркость подсвета не требуется, поэтому зададим напрямую

  /высокая_яркость = 0,2 . Такой способ определения значения функции принадлежности

  /высокая_яркость использован как пример возможности задания конкретного значения степени принадлежности классов онтологии. Соответственно f низкая_яркость = 1 - fвысокая_яркость = 0,8.

Для расчёта коэффициентов zRV, tzRV и tRV необходимо заполнить таблицу 1, используя полученные значения fмалая_диагональ, fвысокая_яркость и т-Д-, согласно Правилам 1-4.

• 3)    В результате имеем таблицу 3 с внесёнными значениями функций принадлежности.

Таблица 3 - Расчёт коэффициентов рекомендации по правилам вывода

Нечёткое правило, №	1	2	3	4
Диагональ_экрана	0,55	0,55	0,45	0,45
Яркость	0,2	0,8	0,8	0,2
Рекомендуемый_подсвет	zRV	tzRV	tRV

В соответствии с нечёткими правилами ЭС:

правило 1: zRV=min(0.55, 0.2)=0.2;

правило 2: tzRV=min(0.55, 0.8)=0.55;

правило 3 и 4: tRV=max(min(0.45, 0.8),min(0.45, 0.2))=0.45.

• 4)    Расчёт общего коэффициента рекомендации RV ведётся по формуле (1) на основе полученных zRV, tzRV, tRV и ЭС делается вывод о рекомендуемом типе подсвета, который в дальнейшем учитывается проектантом при компоновке конструкции дисплея авиационного индикатора.

На рисунке 8 изображена конструкция авиационного дисплея, в которой плата подсвета располагается с одного из торцов ЖК-панели. Такая компоновка имеет ряд преимуществ: малые габариты, высокая энергоэффективность. Однако применение торцевого типа подсвета имеет и некоторые недостатки, связанные с оптическими характеристиками, а именно неравномерность подсвета и относительно низкую яркость. Улучшить оптические свойства дисплея с торцевым подсветом удаётся благодаря применению оптических рассеивающих и светоусиливающих полимерных плёнок, а также при помощи определённой формы светопровода (например, клиновидной). Для минимизации потерь яркости подсвета при прохождении света через границы раздела сред воздух-стекло может применяться склейка ЖК-панели с защитным стеклом. Оптическая склейка является сложной технологически, однако позволяет значительно улучшить световые характеристики дисплея, а так же увеличить ударопрочность, превращая панель в триплекс.

На рисунке 9 в разрезе показан авиационный ЖК-дисплей с задним подсветом. Такая компоновка применяется при высоких уровнях внешней засветки. Для отведения тепла плата со светодиодами установлена на радиатор, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик индикатора. Поэтому для принятия проектного решения необходимо также учи- тывать и ограничения по массе, что является особо важным для из делия авиационного назначения.

Рисунок 8 - Конструкция авиационного дисплея с торцевым подсв етом

Рисунок 9 - Задний подсвет ЖК-дисплея

Для учёта различных факторов, влияющих на выдачу рекомендации, ЭС на основе онтологии дополняется наборами нечётких правил вывода, которые определяют взаимосвязь различных характеристик индикатора и применяемых в нём конструктивных решений. Так удаётся достичь оптимального соотношения по нескольким характеристикам проектируемого изделия: стоимости, технологичности, прочности, светотехнике и т.д.

Заключение

Предлагается использовать онтологический подход для решения задачи концептуального и эскизного проектирования многофункционального индикатора авиационного назначения.

Разрабатываемая на основе онтологии ЭС помощи при проектировании индикатора поможет инженеру в разработке изделия на начальных этапах. Показана возмож ность внедрения аппарата нечёткой логики в разработанную онтологию при помощи SWRL правил с целью формирования рассуждений, принятия решений и выдачи рекомендаций при помощи SQWRL-запросов. В качестве примера функционирования ЭС рассмотрен процесс подготовки рекомендации выбора типа подсвета в зависимости от размера диагонали и требуемой яр- кости экрана. Дальнейшая работа направлена на дополнение онтологии и расширение применения нечёткой логики. Кроме того, необходимо создание удобного интерфейса для введения исходных данных и отображения рекомендаций и проектных решений ЭС.