УДК 631.3:681.3.06

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФОРМАЛИЗОВАННОГО ЯЗЫКА ДЛЯ СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Л. А. Рейнгольд, инж., ВНИИКОМЖ

Качество решения задач, стоящих перед сельскохозяй­ственным производством, в значительной степени опреде­ляется продуманностью и обоснованностью технологиче­ских решений.

В процессе создания новой технологии инженер про­водит сопоставление и оценку различных вариантов на нескольких уровнях: общетехнологическом, рабочих органов, уровне элементов. Эта работа включает функцио­нально-технологический,  конструктивный,  энергетиче­ский, экономический и другие аспекты, качество разработ­ки которых в значительной степени определяется опытом и интуицией специалиста.

Методы и языковые средства, позволяющие перейти от качественного описания изучаемого процесса к его формализованной математической модели, отсутствуют. Это обусловлено тем, что переход от словесного, поня­тийного отображения технологии к ее структурному опи­санию, допускающему построение необходимых формаль­ных моделей, достаточно сложен и не всегда приводит к адекватному математическому описанию возможных ва­риантов, допускающему их количественное сопоставле­ние.

При решении задач, связанных с анализом технологи­ческих схем комплексной переработки навоза, мы столк­нулись с рассмотренными выше проблемами. Для их преодоления был разработан формализованный язык структурного отображения технологии (ЯСОТ), который позволяет решать достаточно широкий круг задач. Ниже приводятся описание и некоторые примеры его примене­ния. ЯСОТ — простой наглядный язык. При разработке обобщены имеющиеся способы изображения технологи­ческих схем, использованы некоторые принципы проек­тирования алгоритмических языков для ЭВМ. Пред­лагаемый язык может применяться для формализации описания и анализа практически любой сельскохозяй­ственной технологии.

В языке использована символика нотации Бэкуса, которая применяется обычно при мета-описании языков программирования для ЭВМ [1]. Эта символика включает в себя следующие обозначения: ::=    — знак «по оп­ределению есть» (два двоеточия и знак равенства);

< > — угловые скобки для выделения понятия;

| —знак «или (вертикальная черта).

Пример    записи    утверждения:   

<цифра> ::= <0>|<1>|<2>|<3>|<4>|<5>|<6>|<7>|<8>|<9>. Читается: цифра по определению есть ноль или единица, или двой­ка, или ..., ..., или девять.

Дополнительно вводятся следующие обозначения:  à — стрелка, указывающая существенные в рассмат­риваемом контексте связи между объектами (перемещение перерабатываемых предметов, веществ; направления дви­жения потоков тепловой и электрической энергии и др.);

¨ — графическое изображение объекта, осуществля­ющего преобразование потоков; внутри квадрата при необходимости записывается имя (идентификатор), а так­же поясняющий текст, аббревиатура или мнемоническое изображение; объектами могут быть технологические ус­тройства, машины, их элементы, другие предметы, су­щественные в рассмотрении; сторона квадрата принима­ется равной 2, 4, 6 см;

— — — пунктирная линия, служащая для объеди­нения группы объектов вместе с их связями под одним именем (служит для обобщения элементов технологии).

Связи, технологические объекты и другие необходимые параметры могут иметь идентификаторы (имена). Имена рекомендуется составлять из двух частей. Символическая часть в начале имени указывает на качественный харак­тер объекта, а цифровая в конце—его место в тексте.

Например, все технологические блоки могут начи­наться с символа Б, связи по потокам веществ — с S. Тогда могут появиться имена: Б1, Б5, S3, S2 и т.д.

Основной конструкцией при отображении технологии служит утверждение. Оно состоит из двух частей, разде­ленных знаком «по определению есть» (::=). В правой части находится определяемое понятие в виде графиче­ского изображения или текста, заключенного в угловые скобки, в левой раскрывается содержание этого понятия. Понятие может раскрываться двумя путями: использо­ванием мнемонических изображений объектов с указа­нием связей между ними; записью аналитических, логи­ческих и других выражений, показывающих зависимость одних объектов или их связей от других. При этом все имена объектов и связей вне квадратов — границ блоков— записываются в угловых скобках, а другие элементы вы­ражений (коэффициенты, арифметические и логические действия, названия функций) — традиционно.

В угловые скобки после имен понятий через запятую могут включаться существенные характеристики соот­ветствующих объектов или связей, например единицы измерения. Синтаксически правильны следующие вы­ражения:.

<S10> ::=  K10 Í <S9>;                                     (1)

<S25> ::= <S14> + <S15> Í K25 Í СOS Х;    (2)

 <S50> ::= <S45> | <S48>                                    (3)

Конечно, вся забота о смысле выражений лежит на том, кто их записывает. Язык лишь позволяет приводить к согласованному виду, связывать между собой любыми отношениями разнородные вещи.

Переход от выражений на ЯСОТ, например (1), (2), (3), к математическим выражениям или утверждениям какого-либо языка программирования несложен. Воз­можен следующий переход к обычным математическим уравнениям:

S₁₀ = K₁₀S₉;

S₂₅ = S₁₄ + S₁₅ K₂₅  cos X;

S₅₀ = S₄₅ Ú S₅₀ = S₄₈.

Запись на алгоритмическом языке PL 1 для ЕС ЭВМ будет выглядеть так: S10=K10*S9;

S25=S14+S15*K 25*СО5 X;

S50=S45 ! S50=S48;

Следует отметить, что записи в виде уравнений и на алгоритмическом языке служат конкретизацией выраже­ний ЯСОТ, результатом интерпретации пользователя.

Описание технологии представляет собой некоторое множество утверждений, раскрывающих ее содержание на требуемом числе уровней, на каждом из которых от­ражаются необходимые инженерно-технологические ас­пекты. Например, оно может включать в себя: техноло­гические схемы, характеризующие движение потоков ве­ществ, предметов; детализацию некоторых элементов схем с перечислением возможных вариантов; описание функциональных зависимостей между элементами схем, имеющими одинаковую или различную качественную природу (между потоками веществ, между потоками и размерами технологических объектов и др.).

На рисунке в качестве примера использования языка приводится технологическая схема микробиологической переработки навоза с получением кормового белка.

Для иллюстрации приведен фрагмент записи вариан­та технологии на языке ЯСОТ (см. рисунок — блок Б6 и его конкретизацию). Запись подразумевает, что по­ток <S6> может быть преобразован в. поток <S7> двумя способами: либо удаляется только H₂S, либо H₂S вместе с СО₂. Как видно, в обоих случаях нас не интересует, что происходит в дальнейшем с потоком H₂S, но отмече­но, куда направляется поток СО₂.

Каждая схема изображается отдельно, причем нужно стремиться к тому, чтобы в изображение входили элемен­ты примерно одного логического уровня. Например, будет не совсем естественным соседство технологии в це­лом и отдельно взятой машины или машины и каких-либо ее элементов. Желательно, чтобы технология изо­бражалась серией утверждений, находящихся в отно­шении иерархической подчиненности. Описание нужно начинать с верхних уровней, проводя последовательно необходимую детализацию.

Каждый уровень может раскрываться несколькими схемами, необходимыми для решения определенного круга задач. Например, для отображения процесса ком­плексной переработки навоза в целях моделирования структуры технологических процессов нужны как мини­мум: структурная схема процесса комплексной перера­ботки (пример показан на рисунке); соотношение потоков веществ в технологии; схемы зависимостей потребностей в теплоте, электрической энергии, технологической во­де, минеральных веществах от различных факторов.

Круг задач, в которых целесообразно использовать язык, очень широк. Их можно условно разбить на три большие группы: производственные, для обучения и средства общения человека с ЭВМ в системах автомати­зированного проектирования (САПР).

Производственные применения включают следующие задачи: наглядное, иерархическое, логическое, форма­лизованное отображения технологии; структурный ка­чественный (неколичественный) анализ возможных ва­риантов реализации технологии; математическое моде­лирование технологии для получения интересующих нас характеристик в процессе проектирования; использова­ние языка для построения мнемосхем в целях увеличе­ния наглядности процессов управления.

Использование языка в целях обучения позволит бо­лее экономично, строго, наглядно представлять техноло­гические процессы. ЯСОТ удобен при изготовлении схем, плакатов, для записей в тетради.

Сейчас очень остро стоит проблема создания адекват­ных языковых средств для САПР, позволяющих доста­точно полно и компактно отражать структуру необхо­димой предметной области. Предлагаемый язык можно успешно применять для этой цели при условии разработ­ки некоторого подмножества средств языка для решения соответствующего круга задач. Применение графиче­ских изображений требует использования графического видеотерминала с прикладным программным обеспечением, однако возможно создание литерной транскрипции для работы с алфавитно-цифровым дисплеем.

На наш взгляд, будет эффективным применение язы­ка для отражения большинства сельскохозяйственных технологий: процессов выращивания, уборки и переработ­ки различных сельскохозяйственных культур, техноло­гий заготовок и приготовления кормов в животновод­стве. Удобно изображать с его помощью экологические системы и процессы, протекающие в них. Уровень раз­работки языка достаточен для решения основных задач проектирования и анализа технологий. Мы не стреми­лись в данной работе к излишней регламентации исполь­зования и подробности описания. Например, пользователь может применять часть средств языка, наиболее отвечаю­щих его интересам, разработать подмножество языковых средств для своих задач, что в основном сводится к соз­данию необходимых обозначений: текстов и рисунков внутри квадратов. Язык можно совершенствовать и раз­вивать по нескольким направлениям: увеличение вырази­тельности и удобства использования; повышение форма­лизации до уровня, достаточного для реализации   на ЭВМ, расширение области применения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Криницкий Н. А., Миронов Г. А., Фро­лов Г. Д. Программирование и алгоритмические язы­ки.—М.: Наука, 1975.

Поступила в редакцию 27.04.83

Механизация и электрификация сельского хозяйства, № 2, 1986

Структурная схема процесса комплексной переработки навоза с получением кормового белка:

Блоки: <А1>::=<технология комплексной микробиологической переработки навоза>; <Б1>::=<отделеиие механических вклю­чений>;    <Б2>::=<измельчение и нагревание   навоза>: <БЗ>::=<выдерживание навоза>;   <Б4>::=<сбраживание навоза (метантенк)>; <Б5>::=<хранение сброженного навоза>; <Б6>::=<очистка биогаза>;   <Б7>::=<хранение биогаза (газгольдер)>; <Б8>::==<биосинтез белка (ферментер)>; <Б9>::=<приготовление и подача раствора питательных солей>;    <Б10>::=<подача технологической воды>; <Б11>::=<подача технического кислорода>|<подача воздуха>; <Б12>::=<ино-кулятор процесса>; <Б13>::=<сжигакие отходящих гааов>; <Б14>::=<хранение бактериальной биомассы>; <Б15>::=<сгущение биомассы (сепаратор)>;   <Б16>::==<плазмолиз биомассы>; <Б17>::=<хранение кормового белка>; <Б18> >::=<кормоцех животноводческого предприятия>; <Б19>::= <использование сброженного навоза>;

Связи: <S1>::=-<навоз из животноводческого помещения>; <S2>::=<очищенный навоз>; <S3>::=<навоз после измель­чения и подогрева>; <S4>::=<подача навоза на сбраживание>; <S5>::=<отбор сброженного навоза>;   <S6>::=<биогаз (60...70 % об. СН₄ 30...40 % об. СO₂)>; <S7>::=<очищенный от примесей биогаз>; <38>::=<биогаз на биосинтез>; <S9> >::=<технологическая вода>: <310>::=<технологическаяво-да>; <S11>::=<растворы питательных солей>; <S12>::=<отходящие газы>; <S13>::=<растворы питательных со­лей>; <S14>::=<белковое молоко (10...48 г/л АСВ)>; <S15>::=<белковое молоко (10...15 г/л АСВ»;  <S16>::=<воздух> | <технический кислород>; <S17>::=<воздух> | <техни­ческий кислород>; <S18>::=<белковое молоко на переработку>; <S20>::==<биомасса после сгущения>; <S21>::=<кормовой белок>; <S22>::=<подача белка в кормоцех>; <S24>::=<биогаз в ферментер-инокулятор>;  <S25>::=<биогаз на непосредственное сжигание>; <S28>::=<сброженный навоз на переработку>. Вернуться к тексту.