Software & Systems

Любая техническая деятельность базируется на научно-технических достижениях – результатах фундаментальных и прикладных исследований, изобретательской деятельности, опытно-конструк­торских работ. Однако накопленный объем знаний настолько велик и так рассредоточен в различных монографиях, научных статьях и справочниках, что становится труднодоступным для специалистов конкретных предметных областей. Проблемы, связанные с поиском необходимой информации, получением и анализом структур технических решений, обусловили создание различных методов синтеза технических систем.

Моделирование и использование структурированных физических знаний

Существует ряд подходов к формированию концептуальных моделей представления знаний в форме физических эффектов (ФЭ) и к созданию на их основе автоматизированных информационных систем [1–4]. Большинство методик формирования физического принципа действия (ФПД) сводятся к стыковке выходного воздействия одного ФЭ к входному воздействию другого ФЭ в случае равенства наименований воздействий и качественных характеристик ФЭ [2, 5, 6]. Однако сформированные таким образом линейные цепочки ФЭ и полученные на их основе технические решения либо приводят к формированию нереализуемого ФПД (соответственно, к нереализуемым техническим системам), либо не учитывают все возможные варианты синтеза. Практическое использование методов синтеза линейных структур ФПД также показало, что подобные структуры не удовлетворяют в полной мере потребности инженера или научного работника. Поэтому, по мнению авторов, данный подход не может считаться эффективным, поскольку не учитываются свойства объектов ФЭ и отсутствуют проверки совместимости ФЭ на количественном уровне, то есть с учетом диапазонов величин воздействий.

Указанные недостатки существенны при оценке совместимости ФЭ и, как следствие, при оценке адекватности всей структуры ФПД. Чтобы устранить их, была разработана автоматизированная система синтеза ФПД с расширенными условиями совместимости ФЭ.

Использование свойств объекта в условиях совместимости физических эффектов

Уточним условия совместимости ФЭ Fi и Fi+1 в зависимости от разновидности их выходного и входного воздействий.

1.     Пусть Fi имеет параметрическое выходное воздействие Сi, а Fi+1 параметрическое входное воздействие Ai+1 [1].

На первом этапе анализа совместимости ФЭ Fi и Fi+1 необходимо определить совместимость ФЭ по наименованию воздействий. Структура параметрического воздействия каждого ФЭ в данном случае будет иметь следующий вид: раздел физики, физическая величина [1, 7]. Если наименования воздействий совпадают, то делаем вывод, что ФЭ совместимы по воздействию.

На втором этапе проверяем совместимость ФЭ по структуре объекта. Структура объекта каждого ФЭ в данном случае будет иметь следующий вид: вид структуры, число фаз, общая структура объекта, тип контакта, смеси фаз [1, 7, 8]. Если значения характеристик конечного состояния объекта Fi равны значениям характеристик начального состояния объекта Fi+1, делаем вывод, что ФЭ совместимы по структуре объекта.

На третьем этапе проверяем совместимость ФЭ по каждой фазе, входящей в структуру объекта. Описание фазы объекта каждого ФЭ в данном случае будет иметь следующий вид: фазовое состояние, химический состав, магнитная структура, электропроводность, механическое состояние, оптическое состояние, специальные характеристики [1]. Если по каждой фазе признаки объектов Fi и Fi+1 совпадают (с учетом иерархии признаков), можно сделать вывод, что Fi и Fi+1 совместимы.

2.     Пусть Fi имеет непараметрическое выходное, а Fi+1 непараметрическое входное воздейст- вие [1].

Структура непараметрического воздействия каждого ФЭ в данном случае будет иметь следующий вид: тип выхода/входа, название воздействия, качественные характеристики выхода/вхо­да. Величина типа выхода/входа может принимать всего два значения, следовательно, возможны три комбинации типов выхода/входа [1, 8].

·       Пусть тип выхода Fi и тип входа Fi+1 равны между собой и принимают значение «внешний». В данном случае для проверки совместимости ФЭ необходимо сравнить наименование и значения качественных характеристик воздействий Ci и Ai+1. Если данные характеристики совпадают, то можно сделать вывод о том, что Fi и Fi+1 совместимы.

·       Пусть типы выхода Fi и входа Fi+1 равны между собой и принимают значение «внутренний». В данном случае для проверки совместимости ФЭ, помимо проверки наименований и качественных характеристик Ci и Ai+1, необходимо проверить совместимость по структуре и по фазам объекта, алгоритм которой описан в пункте 1.

·       Пусть типы выхода Fi и входа Fi+1 не равны между собой и принимают разные значения. В данном случае дальнейший анализ цепочки синтеза ФПД нецелесообразен.

3.     Пусть Fi имеет параметрическое выходное воздействие, а Fi+1 непараметрическое входное воздействие или наоборот. В данном случае можно сразу же сделать вывод о том, что Fi и Fi+1 несовместимы.

Использование количественного метода в условиях совместимости ФЭ

Для учета совместимости ФЭ на количественном уровне будем учитывать диапазоны изменения значения физической величины [9].

1.     Если диапазоны величин выходного воздействия Fi и входного воздействия Fi+1 имеют общий интервал, можно сделать вывод о том, что Fi и Fi+1 совместимы на количественном уровне.

2.     Если диапазоны величин выходного воздействия Fi и входного воздействия Fi+1 не имеют общего интервала, можно сделать вывод о том, что Fi и Fi+1 несовместимы.

Аналогично, применяя качественные и количественные условия совместимости ФЭ, проверяется совместимость всех ФЭ, хранящихся в БД ФЭ, и в случае успешной совместимости найденное решение сохраняется как один из возможных переходов из одного ФЭ в другой ФЭ.

Алгоритм синтеза структур ФПД представлен на рисунке 1.

Разработка автоматизированной системы синтеза ФПД

Архитектура разработанной автоматизированной системы синтеза ФПД изображена на рисун- ке 2.

Схема БД разработанной авторами автоматизированной системы приведена на рисунке 3.

На рисунке 4 представлена диаграмма последовательности действий, выполняемых автоматизированной системой синтеза в нотации UML.

Разработанная автоматизированная система позволяет синтезировать множество вариантов принципов действия проектируемых или исследуемых изделий и технологий в виде цепочки последовательно совместимых ФЭ и выдать пользователю фактографическую информацию о ФЭ, входящих в синтезируемые структуры. Система относится к инструментальным средствам, осуществляющим программно-информационную поддержку деятельности проектировщиков на этапе поиска и исследования ФПД [9].

Можно выделить следующие направления использования подсистемы синтеза ФПД как инструмента проектировщика:

−      научно-техническое творчество, то есть решение изобретательских задач (применение системы расширяет знания специалиста, позволяет генерировать новые идеи, использование при решении задачи синтеза ФПД нетрадиционного ФЭ может способствовать созданию оригинальных технических решений);

−      научно-техническое прогнозирование развития конкретного класса объектов техники, выявление перспективных ФПД, планирование НИР и ОКР для проверки реализации новых ФПД;

−      САПР (применение здесь системы синтеза ФПД как подсистемы САПР целесообразно в случае отсутствия прототипа, удовлетворяющего требованиям технического задания, и невозможности конструирования объекта на основе известных ФПД).

В заключение можно сделать следующие выводы. Расширение комплекса методов обработки информации в БД по ФЭ дает возможность создавать не имеющие аналогов справочные системы, значительно повышающие объем активно используемых знаний при выполнении различных научно-исследовательских и проектно-конструктор­ских работ. Например, методы синтеза физических принципов действия изделий и технологий позволяют решать задачу прогнозирования новых нанотехнических систем [10].

Применение предложенного в данной работе метода синтеза структур ФПД способствует повышению степени формализации этапа синтеза ФПД и качества получаемых решений, что обусловлено уменьшением доли ручного труда на этапе синтеза ФПД за счет более целенаправленного поиска решений (многоаспектное задание на синтез) и сокращения множества физически нереализуемых решений (учет характера изменения физических величин, дополнительный анализ при стыковке по внутреннему воздействию), а также расширением класса получаемых решений за счет использования эффектов с изменением структуры объекта (ФПД, включающие структурные изменения объекта) и класса решаемых задач за счет введения в задание на синтез объекта ФЭ (задачи, связанные с преобразованием веществ).

Литература

1.     Фоменков С.А., Давыдов Д.А., Камаев В.А. Моделирование и автоматизированное использование структурированных физических знаний: монография. М.: Машиностроение-1, 2004. 278 с.

2.     Зарипова В.М. Объектно-ориентированная модель базы знаний о физико-технических эффектах для системы концептуального проектирования новых элементов информационно-измерительных систем и систем управления // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2013. № 1. С. 162–171.

3.     Фоменков С.А., Колесников С.Г. Представление физических знаний в автоматизированном банке физических эффектов // Изв. вузов. Машиностроение. 1998. № 1–3. С. 55–61.

4.     Камаев В.А., Фоменков С.А., Петрухин А.В., Давы- дов Д.А. Архитектура автоматизированной системы концептуального проектирования СОФИ // Программные продукты и системы. 1999. № 2. С. 30–34.

5.     Давыдов Д.А., Фоменков С.А. Автоматизированное проектирование линейных структур физических принципов действия технических систем // Машиностроитель. 2002. № 2. С. 33–35.

6.     Гопта Е.А., Фоменков С.А., Карачунова Г.А. Автоматизация процесса линейного синтеза физического принципа действия // Изв. ВолгГТУ. 2010. Т. 11. № 9. С. 129–133.

7.     Герасимов А.М., Колчин П.А., Фоменков С.А. Автоматизированная система поиска физических эффектов «Полезный эффект» // Программные продукты и системы. 2007. № 4. С. 38–39.

8.     Гопта Е.А., Фоменков С.А., Карачунова Г.А. Использование свойств объекта в условиях совместимости физических эффектов // Вестн. компьютерных и информационных технологий. 2014. № 2. С. 22–26.

9.     Гопта Е.А. Механизм генерирования инноваций: автоматизация процесса сетевого синтеза физического принципа действия // Качество. Инновации. Образование. 2013. № 4. С. 28–31.

10.  Фоменков С.А., Колесников С.Г., Дворянкин А.М. Использование структурированных физических знаний для прогнозирования новых нанотехнических систем // Изв. ВолгГТУ. 2012. Т 4. № 13. С. 80–82.

References

1.     Fomenkov S.A., Davydov D.A., Kamaev V.A. Modeliro­vanie i avtomatizirovannoe ispolzovanie strukturirovannykh fizi­cheskikh znaniy [Modeling and avtomated using of structured physical knowledges]. Monography. Moscow, Mashinostroenie-1 Publ., 2004, 278 p. (in Russ.).

2.     Zaripova V.M. Object oriented model of knowledge base on physic and technical effects for the system of conceptual design of new elements of information-measuring systems and control systems. Prikaspiyskiy zhurnal: Upravlenie i vysokie tekhnologii [Caspian journ.: Management and High Technologies]. 2013, no. 1 (21), pp. 162–171 (in Russ.).

3.     Fomenkov S.A., Kolesnikov S.G. Presenting physical knowledges in an automated bank of physical effects. Izv. vuzov. Mashinostroenie [Proc. of Higher Educational Institutions. Маchine Building]. 1998, no. 1–3, pp. 55–61 (in Russ.).

4.     Kamaev V.A., Fomenkov S.A., Petrukhin A.V., Davy- dov D.A. The architecture of automated system conceptual design SOFI. Programmnye produkty i sistemy [Software & Systems]. 1999, no. 2, pp. 30–34 (in Russ.).

5.     Davydov D.A., Fomenkov S.A. Automated design of linear structures of physical principles of technical systems operating. Mashinostroitel [Mechanic engineer]. 2002, no. 2, pp. 33–35 (in Russ.).

6.     Gopta E.A., Fomenkov S.A., Karachunova G.A. Automation of the process of linear synthesis of physical principle operating. Izv. VolgGTU [News of Volgograd State Tech. Univ.]. 2010, vol. 11, no. 9, pp. 129–133 (in Russ.).

7.     Gerasimov A.M., Kolchin P.A., Fomenkov S.A. Automated system for searching physical effects “Useful effect”. Pro­grammnye produkty i sistemy [Software & Systems]. 2007, no. 4, pp. 38–39 (in Russ.).

8.     Gopta E.A., Fomenkov S.A., Karachunova G.A. Application the properties of an object in compatibility conditions of physical effects. Vestnik komp'iuternykh i informatsionnykh tekhnologii [Herald of computer and information technologies]. Spektr Publ., 2014, no. 2, pp. 22–26 (in Russ.).

9.     Gopta E.A. Generating mechanism for innovations: automation of the process of linear synthesis of physical principle operating. Kachestvo. Innovatsii. Obrazovanie [Quality. Innovation. Education]. 2013, no. 4, pp. 28–31 (in Russ.).

10.  Fomenkov S.A., Kolesnikov S.G., Dvoryankin A.M. Using structured physical knowledges to predict new nanoengineered systems. Izv. VolgGTU [News of Volgograd State Tech. Univ.]. 2012, no. 13, pp. 80–82 (in Russ.).