Художественно-технологическое проектирование основовязаных трикотажных полотен и изделий – это художественная и технологическая разработка их для последующего промышленного производства [1]. Художественно-технологическое проектирование предполагает создание такого изделия, которое бы соответствовало, с одной стороны, его утилитарной и художественной функциям (требованиям потребителей), а с другой – конкретным технологическим условиям его изготовления (требованиям производства). Следовательно, художественно-технологическое проектирование совмещает технологическое и художественное творчество.

Художественно-технологическое проектирование трикотажного изделия начинается с учета функциональных требований, предъявляемых к нему потребителем. Функциональность изделия требует от конструкции модели и структуры полотна удобства, приспособленности к человеческому организму. Цель разработки изделий методом художественного творчества – придание изделиям художественной функции, в том числе формы. На форму изделия влияет, во-первых, материал – полотно, его физические и эстетические свойства, во-вторых, способ его формирования (структура переплетения и орнамента) и, в-третьих, замысел художника, создающего художественный образ. Определяющими факторами при такой разработке служат особенности производства и потребления изделий. Основная тенденция производства изделий – экономичность, т.е. минимальные затраты сил и средств, а основная тенденция потребления этих изделий – функциональность, утилитарность.

Одна из важнейших проблем художественно-технологического проектирования трикотажа – проблема выбора сырья [1]. Орнамент трикотажа и его структура тесно связаны с сырьем – текстильным материалом. При создании трикотажных полотен или изделий используются такие текстильные материалы, как нити и пряжа. Характерными особенностями их являются волокнистость и практически бесконечная линейная протяженность при относительно малом поперечном сечении. Свойства нитей и пряжи зависят от природы текстильных волокон, т.е. от того, являются ли волокна натуральными, искусственными, синтетическими или смесовыми.

Этап художественного проектирования является начальным в автоматизированном художественно-технологическом проектировании трикотажа [2]. Осуществляется художником-дессинатором, который решает вопросы колористики трикотажа, его фактуры, размера и ритма рисунка. При этом в своем дизайнерском решении художник не ориентируется на какое-либо переплетение, а выбирает тот или иной вид рисунчатого эффекта. Возможности цветового оформления трикотажных полотен реализуются на множестве {Mij}, дополняются различием в цветах нитей множеством {Mjk}, а также самыми различными видами отделки трикотажных полотен на множестве {Mjl}, где индексы i, j, k, l относятся соответственно к элементу рисунка, виду переплетения, цвету нити, виду отделки полотна [3].

Количество всех вариантов цветового решения трикотажа определяется декартовым произведением множеств M = {Mij, Mjk, Mjl}, что создает практически неограниченные возможности разнообразия трикотажа. Зачастую художник-дессинатор не знает, что один и тот же рисунчатый эффект может быть получен при использовании различных переплетений, а следовательно, при разных режимах вязания и использовании различных механизмов узорообразования, что в значительной мере влияет на производительность вязальной машины. Поэтому важно на этапе художественного проектирования рассмотреть все возможные способы воспроизведения рисунчатого эффекта с тем, чтобы выбрать для реализации наиболее эффективный [4]. На данном этапе производится формирование матрицы рисунка, элементами которой являются рисунчатые эффекты (цвета, условные обозначения рельефных или ажурных эффектов, блестящих и матовых участков). Матрицы рисунка должны отвечать условию целочисленности, то есть каждая клетка должна быть образована целым числом петель, протяжек, ажурных отверстий, набросков. Для тканей и трикотажа такие целочисленные матрицы рисунка называют патроном рисунка, или матрицей-патроном рисунка.

Второй этап автоматизированного художественно-технологического проектирования называется технологическим [5]. На этом этапе осуществляется проектирование данных для воспроизведения узора трикотажа на вязальной машине.

Для соответствия модели представления знаний при решении задач автоматизированного художественно-технологического проектирования основовязаного трикотажа нами предложен онтологический подход, применение которого в отечественных автоматизированных системах исследовано не достаточно полно [4]. Онтология – это точная спецификация концептуализации предметной области, позволяющая формировать модель знаний специалиста с помощью множества понятий и отношений, описывающих предметную область, а также правил и аксиом, определяющих их интерпретацию. Важно, что онтология позволяет систематизировать знания, создать единую иерархию понятий, унификации терминов и правил интерпретации.

В наиболее общем виде онтология имеет следующий вид:

Рис. 1. Общий вид онтологии

Понятия и их свойства в онтологии являются базовыми конструкциями представления знаний, поэтому важным этапом создания онтологий является выявление основных понятий и их свойств, которыми оперирует специалист при решении задач автоматизированного проектирования трикотажа. Для определения характерных отношений между понятиями применяются правила и аксиомы, которые описывают семантику предметной области. При этом правила и аксиомы должны быть сформулированы с точки зрения их дальнейшей формализации.

Разработка онтологий является творческой работой, предполагающей глубокое знание предметной области и умение представлять взаимосвязь ее понятий. Тем не менее в онтологическом инжиниринге сложились следующие общепризнанные правила, которые помогут принять адекватные проектные решения. Во-первых, понятия в онтологии должны быть близки к физическим или логическим объектам и отношениям в предметной области; во-вторых, процесс разработки онтологии должен быть итеративным, то есть онтология разрабатывается, затем проверяется и уточняется на основе анализа, будет ли она наглядной, расширяемой и простой в обслуживании, при необходимости процесс повторяется.

Основой построения онтологии художественно-технологического проектирования основовязаного трикотажа служит математическая модель, определяемая множеством компонентов: Sk = <j, groupj, ij, estj, hest, k, Rbj, Rhj, nij, hnj, l, Еj, Tyj> и множеством моделей проектных решений {Ssol-1,…, Ssol-n}, где j – наименование основовязаного переплетения; groupj – наименование группы, к которой относится j-ое переплетение, принимает целое значение от 1 до 6; ij – рисунчатый эффект, присутствующий в j-ом переплетении; estj – набор элементов рисунка, входящих в j-ое переплетение; hest – набор характеристик элемента рисунка (цвет, вид, размеры); k – цвет нити; Rbj, Rhj – раппорты рисунка по ширине и высоте, характеризующие j-ое переплетение; nij – артикул нити, которая образует i-ый элемент рисунка, входящий в j-ое переплетение; hnj – набор характеристик нити, применяемой для изготовления трикотажа j-ого переплетения (вид сырья, состав вещества, цвет, блеск, плотность вещества, линейная плотность нити); l – вид отделки полотна; Еj – класс основовязальной машины, вырабатывающая j-ое переплетение; Tyj – набор технологических условий, необходимых для выработки j-ого переплетения (сновка и проборка грунтовых и уточных гребенок; цифровые записи работы грунтовых и уточных гребенок).

Рассмотрим задачу, в которой необходимо произвести художественно-технологическое проектирование малорастяжимого и формоустойчивого основовязаного трикотажного полотна уточного переплетения для спортивной одежды [6]. Рисунчатый эффект – цветной; переплетение грунта – сукно-трико; направление уточных нитей – продольное; роль уточных нитей – узорная; расположение уточных нитей – внутри полотна (в каждом третьем и в каждом пятом столбике) под протяжками петель грунта без их обвития. Требования к пряже: на лицевой стороне лавсановая нить красного цвета, на изнаночной стороне вискозная нить синего цвета, уточная нить вискозная, белого цвета, образует вертикальные полосы. Требования к вязальной машине: наличие системы вставки уточной нити; количество грунтовых гребенок ≥ 2; количество уточных гребенок ≥ 2.

Исходными данными рассматриваемой задачи являются: вид и назначение трикотажного полотна; рисунчатый эффект; вид переплетения грунта; направление, роль и расположение уточных нитей; требования к пряже и вязальным машинам. Выходными данными будут: экранная модель уточного трикотажа; наименование и класс вязальной машины; раппорты сновки и проборки грунтовых и уточных гребенок; цифровые записи работы грунтовых и уточных гребенок. Таким образом, для задачи проектирования основовязаного трикотажа уточного переплетения онтология автоматизированного художественно-технологического проектирования имеет вид:

Имя задачи: художественно-технологическое проектирование основовязаного трикотажа уточного переплетения.

1. Понятия: 1.1. Цель задачи → осуществить художественно-технологическое проектирование основовязаного трикотажа уточного переплетения. 1.2. Входные параметры → классификация трикотажа основовязаных переплетений, вид и назначение трикотажного полотна, класс переплетения грунта, направление уточной нити, роль уточной нити, рисунчатый эффект, расположение уточных нитей, вид сырья, цвет нитей, линейная плотность нитей, количество грунтовых и уточных гребенок в вязальной машине. 1.3. Выходные параметры → матрица рисунка, раппорты рисунка по высоте и ширине, класс и марка вязальной машины, раппорты сновки и проборки грунтовых и уточных гребенок, цифровые записи работы грунтовых и уточных гребенок.

2. Свойства: требования к вязальной машине → количество грунтовых гребенок [≥ 2], количество уточных гребенок [≥ 2]; требования к трикотажному полотну → малая растяжимость, незначительная усадка.

3. Правила → 1) составление матрицы рисунка трикотажа; 2) определение раппортов рисунка по высоте и ширине; 3) формирование графической и аналитической записей работы грунтовых гребенок на основе виртуальной модели трикотажа; 4) расстановка грунтовых и уточных гребенок для получения трикотажа требуемого вида; 5) расположение уточной нити по ширине трикотажа и способ ее закрепления; 6) проектирование колористики, ритма, орнамента трикотажа за счет использования уточных нитей; 7) получение раппортов сновки нитей и проборки гребенок; 8) составление раппорта кладки уточных нитей по ширине и высоте; 9) составление цифровой записи работы уточных гребенок.

4. Аксиомы → 1) художественное проектирование трикотажного полотна предполагает создание матрицы рисунка трикотажа; 2) технологическое проектирование трикотажного полотна определяет конкретные технологические условия его изготовления.

Как видно из представленной онтологии, для любого типа задачи намечается цель проектирования, определяется некоторый набор понятий и свойств, устанавливаются входные и выходные параметры, с помощью которых осуществляется представление объекта, а также формулируются основные правила и аксиомы проектирования.

Для представления полученной онтологии в компьютерной среде необходимо выбрать язык описания онтологий, который представляет собой специализированное средство математической логики, обладающее насыщенной семантикой [7].

В соответствии с классификацией онтологий по уровню формальности любая онтология, описанная на языке, отличном от естественного, является частично или полностью формальной [8]. Таким образом, язык описания онтологии ограничивает возможные интерпретации синтаксических конструкций, исключая многозначность записи, свойственной естественному языку. По степени выразительности классификация онтологий отражает тот факт, что онтологии могут описывать предметную область с разной степенью детализации. Таким образом, для записи разных типов онтологий нужны языки с разными выразительными возможностями. Выразительность языка описания онтологий определяется лежащим в его основе способом представления знаний.

В настоящее время существует три логических формализма, которые используются для описания онтологии: 1) логика предикатов первого порядка (в языке Ontolingua); 2) дескриптивная логика (в языках DAML-ONT, OIL, DAML, OWL); 3) фреймовая логика (в языке F-logic). Для формализации онтологии художественно-технологического проектирования основовязаного трикотажа была выбрана фреймовая логика, которая представляет собой формальный механизм описания данных с использованием объектно-ориентированного подхода и дедукции. Фреймовая логика – это исполняемый язык, ориентированный на идентификацию и моделирование знаний и предназначенный для спецификации и анализа его задач. Наиболее существенными свойствами фреймовой логики являются: разрешимость, выразительная вариативность, автоматическая классификация понятий. Фреймовая логика позволяет математически строго описывать исследуемый объект, применять методы автоматического доказательства теорем и обладает дополнительными преимуществами. К таким достоинствам относятся объектно-ориентированность и исполнимость.

Фрагмент описания онтологии художественно-технологического проектирования основовязаного трикотажа уточного переплетения на языке фреймовой логики имеет вид:

задача_художественно_технологического_проектирования

[[цель → модель_художественно_технологического_проектирования → модель;

структура_художественно_технологического_проектирования → матрица_рисунка]];

[[вход → входные_параметры_художественно_технологического_проектирования]];

[[выход → выходные_параметры_художественно_технологического_проектирования]];

[[параметры → классификация_трикотажа, вид_назначение_полотна,

вид_переплетения_грунта, направление_уточной_нити, роль_уточной_нити, рисунчатый_эффект, расположение_уточных_нитей, вид_сырья, цвет_нитей, линейная_плотность, количество_гребенок_в_вязальной_машине, матрица_рисунка, марка_машины, класс_ машины, раппорты_рисунка, цифровые_записи_работы_гребенок]];

[[диапазоны → диапазоны_значений]];

[[свойства → требования]];

[[правила → отношения]];

[[аксиомы → ограничения]];

[[художественно_технологическое_решение → {модель → D; структура → S; параметры → P; диапазоны_значений → V; требования → R; ограничения → С}]].

Полученное описание онтологии положено в основу создания структуры и алгоритма работы программно-методического комплекса моделирования и проектирования «ПМК-ТОП», интеллектуальным ядром которого является онтологическая модель представления знаний в области автоматизированного проектирования основовязаного трикотажа.

Рецензенты:

Ахмедов А.Д. оглы, д.т.н., профессор, профессор кафедры «Информационные системы и технологии» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» Министерства сельского хозяйства РФ, г. Волгоград.

Богданов Е.П., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Информационные системы и технологии» ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» Министерства сельского хозяйства РФ, г. Волгоград.