Software & Systems

В последнее десятилетие особую актуальность приобрела проблема создания высокоэффективных конкурентоспособных изделий и технологий в связи с возросшей потребностью России по вхождению в Международную рыночную систему.

Однако решение этой проблемы сопряжено с большими трудностями, поскольку для получения таких изделий и технологий необходимо создание комплекса согласованных и высокоэффективных новых технических решений на уровне изобретений. Для этого требуется анализировать, систематизировать, синтезировать и оценивать огромное количество вариантов решений, имеющихся в различных информационных источниках или генерируемых эвристическими методами.

Для решения указанной проблемы разработана автоматизированная система новых рациональных механизмов на морфологических матрицах. В рамках данной системы реализованы методы, предполагающие построение морфологических матриц с различной степенью детализации понятий, соответствующих различным классам задач синтеза: потребностей-функций, физических принципов действия, технических принципов действия и структур технических решений. Формирование базы знаний осуществляется либо заполнением исследователем сформированной им "пустой" структуры матрицы признаками и их значениями, либо на основании базы знаний, разработанной АИПС по механизмам.

При этом база знаний системы морфологического синтеза заполняется классификационными функционально-структурными признаками и их значениями (качественные признаки), а также экспертными оценками по критериям качества (количественные признаки).

В формализованном виде задача генерации множеств альтернатив на морфологической матрице и поиска экстремума имеет следующую постановку.

Пусть построена морфологическая матрица размерностью n. Наименованиями строк матрицы являются признаки (функции и обобщенные функциональные элементы) технической системы [1], обозначенные через x1,x2,...,xn. Для каждого признака xk(k=1,n) определено множество значений (альтернатив Aqkk) конструктивных реализаций функций. Число вариантов, образуемых морфологической матрицей, определяется прямым произведением множеств x=Aq11 x Aq22 x ... x Aqkk (k=1,n; q=1,n).

Генерируемый вариант технической системы представляет выборку альтернатив по одной из каждой строки матрицы и в общем виде записывается следующим образом: {Aq11,Aq22,...,Aqkk}. Здесь Aqii - альтернатива i-ой функции при q=1,2,...,ni (ni - число альтернатив i-ой функции). Требуется найти подмножество вариантов, которым соответствует экстремальное значение целевой функции (и наиболее близких к нему). Размерность искомого подмножества задается постановщиком задачи (или пользователем программной системы).

Для генерации вариантов в методе синтеза решений реализованы алгоритмы: полного перебора; специализированные алгоритмы случайного поиска экстремумов с итерационной и безытерационной процедурами с пользователем в процессе поиска решений; алгоритмы лабиринтного поиска с пошаговой корректировкой вариантов.

Выявлена и дана постановка пяти основных задач по исследованию морфологических множеств.

При решении задач синтеза рациональных вариантов исключительно по критериям качества, имеющих количественные значения признаков, полученные в результате обработки экспертных данных, поиск локально и глобально оптимальных решений осуществляется в два этапа. На первом этапе с использованием системы принятия решений оцениваются и ранжируются повекторно или иерархически упорядоченному множеству критериев качества альтернативы [2, 3], принадлежащие каждому обобщенному функциональному элементу. На втором этапе осуществляется поиск оптимальных целостных технических систем с учетом целевой функции:

где - W множество возможных решений; R - комбинация значений признаков, образующих искомую целостную техническую систему; N - число признаков в анализируемой матрице; Wцiki - вектор приоритетов альтернатив, принадлежащих признаку ki по множеству критериев качества, упорядоченных в общем случае в иерархическую структуру и подчиненных конечной цели выбора Цi.

При необходимости учета степени совместимости синтезируемой технической системы используется следующая целевая функция:

где a1,a2 - соответственно весовые коэффициенты учитываемых критериев качества и критерия совместимости конструктивных элементов; Wcki - вектор приоритетов альтернатив по критерию совместимости.

При поиске на морфологической матрице технических систем, описанных качественными и/или количественными признаками и их значениями, по критерию сходства с поисковым значением, прототипом или эталоном, задаваемыми исследователями, используются следующие целевые функции.

Альтернативы описаны функциональными (F) или конструктивными (K) признаками:

где S - общее число вариантов решений в морфологической матрице, определяемое декартовым произведением и характеризуемое в общем случае множеством функционально-структурных признаков; S* - поисковое задание, прототип или эталон; Sn - заданное исследователем подмножество искомых вариантов технических систем; Si - сгенерированный на морфологической матрице i-ый вариант технической системы.

Альтернативы описаны одновременно функциональными и конструктивными признаками:

найти где w1,w2 - весовые коэффициенты групп функциональных (F) и конструктивных (K) признаков.

Альтернативы описаны количественными признаками - экспертными оценками (индекс П):

найти

где xi1, xi2Î{0,1}, xi1ÎSi, xi2ÎS*; wi - весовое значение i-го признака.

Альтернативы описаны одновременно функциональными, конструктивными признаками и показателями качества:

найти

где wi - весовой коэффициент i-ой группы признаков F,K,П.

Синтез технических систем с индентификацией по классам заключается в формировании поисковых заданий в виде нескольких эталонов, характеризующих соответствующие классы, или же последние задаются полным составом.

Класс задан эталоном, описаным качественными (7) и количественными (8) признаками:

найти

найти

Класс задан полным составом и описан качественными (9) и количественными признаками (10):

найти

найти Здесь wi - весовой коэффициент, учитывающий информативность признаков (0 - среднее значение меры сходства для класса Hw.

Синтез на морфологических матрицах новых оригинальных технических систем на основе несимметричной меры включения и симметричной меры сходства.

Несимметричная мера включения вычисляется по формулам:

Математическая постановка задачи поиска наиболее оригинального технического решения на морфологической матрице сводится к реализации следующих процедур: к генерации всех вариантов технических решений методом комбинаторного перебора сочетаний элементов морфологической матрицы; построению из сгенерированных вариантов матриц мер включения [W] или сходства [C]; вычислению главного собственного вектора V указанных матриц с учетом (6-8); отысканию минимальных значений вектора V, то есть:

minViÎV,                                                     (12)

где Vi - i-ое значение главного собственного вектора матриц [W] и [C]; i=1,2,...,N - максимальное число вариантов в морфологической матрице.

Синтез компромиссных вариантов, обладающих одновременно заданным уровнем оригинальности и эффективности, осуществляется по целевой функции вида:

minTz=a1Vi+a2Pi,                                        (13)

где a1,a2 - весовые коэффициенты; Vi - i-ое значение собственного вектора матрицы [W] или [C]; Pi=1-C(Si,Sn), при этом C(Si,Sn) - мера сходства по экспертно оцененным показателям качества i-го технического решения относительно технического объекта, определяющего указанный исследователем уровень качества, например идеальный уровень по установленным показателям.

Реализация системы компьютерного моделирования "КОМПАС"

Система компьютерного моделирования творческих процедур синтеза принципиально новых механизмов реализована для ЭВМ типа IBM PC XT/AT с использованием языков Turbo-Pascal, Borland C++ 3.1 и пакета Turbo-Vision 1.0. Система прошла государственные испытания при создании интегрированного программно-технического комплекса для системы автоматизированного исследовательского проектирования нового поколения техники для научно-анатомического центра ВМФ России и сдана в Государственный фонд алгоритмов и программ.

Программный комплекс принят в эксплуатацию и адаптируется к решению исследовательских задач на предприятиях авиационной промышленности, НИИ "Центрпрограммсистем", Московском энергетическом институте, Санкт-Петербургском институте точной механики и оптики и ряде других учебных и конструкторских организаций.

При реализации системы компьютерного моделирования синтезировано более 100 новых виброзащитных систем, на 60 из которых получены авторские свидетельства на изобретения.

Новые синтезированные виброзащитные механизмы, опубликованные в работах [4-7], прошли стендовые и полигонные испытания, показав хорошие результаты [8].

Список рекомендуемой литературы

1. Андрейчиков А.В. Автоматизированные информационные системы для синтеза новых механизмов: Автореф. дис. на соискание ученой степ. д-ра техн. наук. - С.-Петербург: СПИИРАН, 1994, 42 с.

2. Андрейчиков А.В., Зенкин С.Ю, Андрейчикова О.Н. Обоснование выбора технических решений на начальных стадиях проектирования //Известия вузов. - Машиностроение.-1989.-№ 7.-С. 102-108.

3. Андрейчиков А.В., Андрейчикова О.Н., Джабер Ф.Ф. Автоматизированное принятие решений в иерархических системах //Программные продукты и системы. - 1993.-№ 3.-С. 23-29.

4. Андрейчиков А.В. Пневматический упругий элемент: А.С. № 1265413 CCCH //Б.И. 1986, № 39.

5. Андрейчиков А.В. Виброизолятор: А.С. N 1265414 CCCH //Б.И. 1986. № 39.

6. Андрейчиков А.В. Упругий элемент: А.С. N 1335762 СССР //Б.И. 1987. № 33.

7. Андрейчиков А.В. Система выброизоляции частей транспортного средства: А.С. N 1402438 СССР //Б.И. 1988. № 22.

8. Андрейчиков А.В. Разработка и исследование активных пневматических систем виброизоляции человека-оператора//Известия ВУЗов.-Машиностроение.-1987.-№ 2.-C. 94-98.