Software & Systems

В работе [3] описана диалоговая система КОНСТРУКТОР для информационной поддержки процессов принятия решений на начальных этапах проектирования сложных объектов новой техники. Опытная эксплуатация макета этой системы позволила развить идеологию информационной технологии синтеза новых технических решений.

Информационная технология позволяет решать следующие задачи: 1) поиск оптимальных для конкретной проектной задачи технических решений а базе данных (ЕД); 2) построение систематик больших классов технических решений для выявления тенденций развития исследуемых классов и прогнозирования перспективных направлений поиска новых конструкций; 3) ретроспективное упорядочение технических решений с целью изучения их эволюции; 4) проведение долгосрочных прогнозов и поиск пионерских решений на основе привлечения фундаментальных знаний, например из области физики по физическим эффектам.

Поиск оптимальных технических решений в БД

Диалоговая система КОНСТРУКТОР позволяет проектировщику отыскивать оптимальные технические решения. Для этой цели реализованный в виде семантической сети диалоговый интерфейс обеспечивает возможность формирования технического задания из функциональных и конструктивных признаков, а также критериев качества. В общем случае задание на поиск включает три множества: F, К, П, где F - множество значений функциональных признаков F (1=1,2, -.., n; j = l,2, ..., m); К - множество значений конструктивных признаков К.. (i=l,2, ..., 1; j = l,2, ..., р); П - множество критериев качества 11(1=1,2, ..., v)- Формирование технического задания для входа в БД может начаться с функциональных или конструктивных признаков и определяется конкретной проектной ситуацией. В тех случаях, когда задана структура совершенствуемого технического решения, то формирование задания на поиск целесообразно начать с конструктивных признаков, если же ведется поиск новой оптимальной структуры технического решения, т.е. структура не задана, то при принятии решения о выборе первоочередных признаков предпочтение следует отдать функциональным. Техническое задание на поиск технических решений может быть трех видов и включать: 1) функциональные признаки; 2) конструктивные признаки; 3) одновременно функциональные и конструктивные признаки. Формирование функциональных требований для дальнейшего обращения к БД проводится из функциональных значений признаков в диалоговом режиме на основе исходной цели проектирования, опыта и интуиции проектироа-шика. При формировании конструктивного облика искомого технического решения в техническое задание включаются значения конструктивных признаков, которые выбираются либо на основе опыта проектировщика, либо с привлечением подсистемы принятия оптимальных решений [2]. Подсистема принятия решений позволяет ранжировать альтернативы на иерархических структурах критериев качества с использованием попарного экспертного оценивания сравниваемых объектов. Данная процедура позволяет более обоснованно подойти к задаче выбора оптимальных технических решений из БД за счет учета большого числа различных критериев качества.

Построение систематик больших классов технических решений

Диалоговая система КОНСТРУКТОР позволяет систематизировать большие классы технических систем с целью выявления тенденций развития и прогнозирования перспективных направлений поиска новых конструкторских решений. Систематики классов технических систем разворачиваются по двум основным осям, которые соответствуют двум группам признаков:

в первую группу входят функциональные признаки, отражающие потребительские свойства; во вторую группу - конструктивные признаки отражающие структурные свойства техничес ких систем.

Функциональные признаки могут быть ка чественными и количественными, а конструк тивные признаки могут иметь несколько иерар хических уравнений и отличаться степенью де тализации понятий, описывающих структур технических систем.

Например, можно выделить пять таксон* мическнх категорий конструктивных признаке [6]:

1)   отряд - технические системы, относящиеся рассматриваемому классу технических объе тов и имеющие одинаковую техническую фун цию;

2)   семейство - технические системы, принад/ жащие к одному семейству и имеющие оди> ковую функциональную структуру;

3)   род - технические системы, принадлежат к одному семейству и имеющие одинаков принцип действия;

4)   вид - технические системы, принадлежа!!

к одному роду и имеющие одинаковые технические решения;

5) модификация - технические системы, принадлежащие к одному виду и имеющие одинаковые значения параметров.

На рисунке 1 приведен фрагмент сформированной в автоматизированном режиме систематики семейства виброзащитных систем по функциональным признакам F (наименования строк) и конструктивным признакам, относящимся к роду (наименования столбцов),

В данной систематике, если известен способ реализации i-ой функции технической системой j-ro рода, то на пересечении соответствующих строк и столбцов в ячейку матрицы записываются данные о технических системах, удовлетворяющих i-ой функции, а на бумажном носителе изображаются наиболее характерные конструкции. В противном случае ячейка матрицы остается незаполненной и сигнализирует

0   наличии "белого пятна" в исследуемом се мействе технических систем. Если проводить аналогию с химией, то данная матрица по свое му функциональному назначению подобна пе риодической таблице химических элементов.

Ретроспективное построение систематик за различные периоды времени позволяет:

1)        изучить динамику роста числа технических систем каждого отряда, семейства, рода, вида и модификации с определенным функциональ ным назначением;

2)   изучить функциональные направления, по которым "аблюдается малый прирост техни ческих систем, либо прекращено развитие полностью;

3)   определить вновь появившиеся функции тех нических систем;

4)   установить тенденции развития технических систем в различных странах или отраслях, раз вернув для этой, цели в систематиках дополни тельные координатные оси, на которых указы вают соответственно наименования стран и от раслей.

Для изучения динамики роста технических систем в каждой ячейке систематики строятся гистограммы, которые изображены на рисунке

1  в ее правом нижнем углу. В правом верхнем углу указано суммарное количество техничес ких систем с i-ой функцией и j-ой структурой. В приведенном на рисунке 2 фрагменте система тики виброзащитных систем гистограммы по строены для трех десятилетий с 1960 по 1990 годы.

Из анализа гистограмм проектировщик может сделать следующие выводы о развитии исследуемых технических систем.

1.         Выявить установившиеся направления развития семейств, родов, видов, модификаций, технических систем с определенными функция ми. Например; таким направлением является род резиновых виброзащитных систем (В) с функцией F6.

2.         Определить технические функции, по ко торым наблюдается активное развитие реали зующих их структур технических систем, появившихся в последнее время. Так, в период с 1980 no 1990 годы наиболее активное развитие получили резиновые системы (В) с функциями F и F .

3.   Установить направления, по которым на метился регресс. К таким направлениям отно сятся, например, (F -В), (F -С) и другие.

Подобная информация позволяет сделать проектировщику следующие выводы:

а)  технические системы данной i-ой функцией и j-ой структурой морально устарели, и их функ ции реализуются новыми, более прогрессив ными принципами действия. Например, направ ление (F -В) вытесняется направлениями

(F,-C);

б)  прекращено опубликование материалов в от крытой печати из-за засекречивания вследствие высокой эффективности и актуальности того или иного направления.

4.   Установить, какие роды или виды техни ческих систем имеют более интенсивное разви тие за последние 15, 10, 5 и т.д. лет. Например, в последнее десятилетие усилия изобретателей и исследователей в различных отраслях народ ного хозяйства направлены, в основном, на развитие рода резиновых виброзащитных сис тем.

Прогнозирование перспективных направлений дальнейшего развития технических систем осуществляется экспертным методом. При этом используется либо простое проставление экспертных оценок одним или несколькими экспертами, либо более сложное экспертное оценивание с привлечением системы принятия решений [2].

В систематике (рис. 1) в левом верхнем углу приведены экспертные оценки перспективности применения существующих виброзащитных систем в ближайшие 5-10 лет для четырех областей применения: 1) железнодорожные экипажи (левый верхний квадрант); 2) радиоэлектронные приборы летательных аппаратов (правый верхний квадрант); 3) сиденья операторов транспортных машин (левый нижний квадрант); 4) автомобили (правый нижний квадрант).

Экспертная оценка проводилась по следующей шкале отношений: 0 - невозможно применение; 3 - слабое предпочтение по перспективности развития; 5 - среднее предпочтение; 7 - сильное предпочтение; 9 - очень сильное предпочтение.

Аналогично оцениваются и "пустые клетки" систематики на предмет перспективности и актуальности проведения поисковых работ по синтезу новых конструкций для различных предметных областей. Однако одновременно целесообразно оценить "пустые клетки" по степени возможности реализации j-ой структуры, удовлетворяющей i-ую функцию. Эта оценка проставлена в центре соответствующих клеток по следующей шкале: 1 - малая степень вероятности создания виброзащитной системы j-ой структуры с 1-ой функцией; 2 - средняя степень вероятности; 3 - высокая степень вероятности.

Анализ "пустых клеток" позволяет исследователю выявить противоречия в развитии технических систем. Эти противоречия заключаются в том, что, с одной стороны, сознание той или иной структуры технической системы актуально для многих отраслей, например направления F — A, F -В, F -С, а с другой — вероятность создания таких систем очень мала из-за специфичности выполняемой функции и ограниченности физических свойств материалов или отсутствия технологий и т.п.

Изучение эволюции технических систем

Диалоговая система КОНСТРУКТОР является хорошим помощником проектировщикам при изучении закономерностей развития структур технических систем. Эволюция технических Систем описывается S-функцией [5]. Для построения S-функции используется диалоговая система КОНСТРУКТОР и знания экспертов. Пример построенной S-функции для рода оболочковых пневматических виброзащитных систем приведен на рисунке 2. Характер изменения критерия развития, в качестве которого здесь принята собственная частота колебаний ~ f, установлен экспертно.

Из анализа S-функции видно, что каждой ее точке соответствует подмножество конструкций. На S-функции имеются две характерные точки t и t., разделяющие ее на три участка. Первый участок до точки t свидетельствует о недоиспользованных возможностях применяемого принципа действия. Улучшение критерия здесь происходит, в основном, за счет улучшения параметров конструкции до приближения их к глобальнооптимальным значениям. Второй участок от точки t до точки t характеризуется резким улучшением критерия развития, которое достигается совершенствованием структуры ТС. Третий участок от точки tB и выше указывает на исчерпание возможностей принципа действия конструкции и приближения значения критерия к пределу (Кпред.). На третьем участке осуществляется переход на новые принципы действия конструкции, т.е. зарождаются новые S-функции. На рисунке 2 показано зарождение нового принципа действия безоболочковых газостатических виброзащитных систем.

Анализ эволюции технических систем в виде S-функции позволяет ответить проектировщику на такие вопросы и сформулировать правило: в начале или в конце эволюции находятся исследуемые конструкции?; если конструкции находятся на нижнем и среднем участках S-функции, то целесообразно проводить поисковые работы по совершенствованию существующей структуры, а если на верхнем участке, то следует переходить на поиск принципиально новых технических систем.

Использование физических эффектов и явлений

для анализа и прогнозирования новых

направлений поиска технических систем

Заложенные в базе данных описания технических систем не всегда могут удовлетворять требованиям проектировщиков. Особенно часто такая ситуация возникает, когда проектируемое изделие ориентировано на перспективное использование. В этом случае для решения задачи прогнозирования целесообразно привлекать знания из фундаментальных областей науки (физики, химии, биологии и т.п.) или более передовых прикладных областей науки и техники. Это позволит исследователю выйти за пределы своей предметной области и посмотреть на нее с позиций "надсистемы".

Для разработки принципиально новых технических решений совместно с диалоговой системой КОНСТРУКТОР используются систематизированные каталоги и банки данных по физическим эффектам [1,7,8]. В этом случае знания о технических системах.и физических эффектах систематизируются в матрицы, наименованиями столбцов которых являются технические системы и их функции (конструктивно-функциональные признаки), а наименованиями строк - физические эффекты. На пересечении строк и столбцов располагаются технические системы. Фрагмент матрицы для виброэащит-ных систем приведен на рисунке 3. В матрицах указываются не только физические эффекты, на которых реализованы существующие конструкции, но и множество новых, не имеющих практического приложения в исследуемом классе конструкций. В матрицы включаются физические эффекты межотраслевого назначения и специализированные для узких предметных областей (например вибрационные эффекты) [4]. Прогнозирование перспективности использования физических эффектов для реализации различных функций технических систем проводится экспертно с использованием подхода, описанного выше.

Список литературы

1.      Альтшул.-iep Г.С. Творчество как точная наука. М.: Сов. радио, 1979. 184 с.

2.  Андрейчиков А.В., Зенкии С.Ю., Андрейчнкова O.II. Обоснование выбора технических решений на начальных стадиях проектирования // Известия вузов. - Машино строение, 1989. - № 7 - С. 102-108.

3.  Андрейчиков А.В., Костерин В.IS. Диалоговая система "Конструктор" длч начальных стадий проектирования тех нических систем // Программные продукты н системы. Тверь. - 1989. - J* 4. - С. 85-90.

4.  Андрейчиков А.В. Разработка пневматических систем внбронзоляцни сиденья машиниста с использованием автоматизированных методов поискового конструиро вания. // Диссертация на соискан. уч. степ. канд. техн. наук, Брянск, 1984, 293 с.

5.  Каменев А.Ф. Технические системы: закономерности развития. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-деис, 1985. -216 с.

6.  Половинкин А.И. Законы строения и развития техни ки. / Учебное пособие. - Волгоград: ВолгПИ, 1985. - 285 с.

7.  Половинкнн А.И. Основы инженерного творчества. М. Машиностроение, 1988, 368 с.

8.  Фоменков С.А., Гришин В.А., Колесников С.Г. Автома тизированная информационно-поисковая система по физи ко-техническим эффектам // Автоматизация научных ис следований. Межвуз. сб. научных трудов; Куйбышевский авиационный институт, Куйбышев, 1988, С. 36-41.