Software & Systems

Одним из наиболее ответственных этапов проектирования сложной технической системы (ТС) является синтез ее оптимальной структуры. Особое значение для синтеза оптимальных структур ТС имеют морфологические методы исследования больших систем, хорошо зарекомендовавших себя при решении задач, на начальных стадиях проектирования.

Исследования различных модификаций морфологических методов анализа и синтеза представлены в работах В.М.Одрина [5-7]. Кроме этого, известны и функционирующие автоматизированные методы морфологического синтеза [1, 3].

Предлагаемый программно-методический комплекс "МОРФОСИНТЕЗ" обладает (по сравнению с существующими системами) следующими особенностями:

•     реализация принципа эвристического автома тизированного морфологического синтеза тех нических систем, что позволяет активизировать творческие способности проектировщика;

•     процесс поиска оптимального варианта свя зан с построением эволюционного ряда из тех нических систем, с демонстрацией развития систем по заданным критериям качества;

•     устранен общий недостаток морфологических методов: оценка элементов каждой строки мор фологической матрицы проводится, как правило, независимо друг от друга, т.е не учитывается (или почти не учитывается) эффективность работы разнофункциональных элементов во взаимной связи, что приводит к парадоксальной ситуации, когда разнофункциональные элементы по установленным показателям качества по отдельности хороши, а синтезированная из них целостная конструкция не удовлетворяет; • система высокопроизводительна при работе на морфологических матрицах большой размерности (например 130x50).

Целесообразность автоматизации

морфологического метода. Определение объекта морфологического

исследования

Общий процесс проектирования ТС осуществляется в соответствии с блочно-иерархи-ческим подходом к проектированию.

Рнс. 1. Уровни описания технической системы

Каждый иерархический уровень определяется степенью детализации описания ТС. Можно выделить четыре уровня описания ТС (рис.1) и соответствующие им четыре класса задач проектирования. На самом верхнем первом уровне располагаются потребности человека, отображающиеся на множестве технических функций; второй уровень формируется из множества принципов действия, реализующих технические

функции; на третьем уровне каждый принцип действия реализуется с помощью ряда структур технических систем; четвертый уровень характеризует их параметрически.

Каждому уровню соответствует уникальный тип структуры морфологической матрицы, который характеризуется составом признаков, образующих строки матрицы, и значений признаков, образующих ее столбцы (табл.1).

Поскольку задачи, решаемые на начальных этапах проектирования, издавна являлись прерогативой естественного интеллекта, была дана оценка целесообразности автоматизированного, автоматического и неавтоматизированного поиска оптимальных проектных решений на морфологических матрицах различной структуры. Для экспертной оценки целесообразности автоматизации использовалась семибалльная лингвистическая шкала ("табл. 21.

Лингвистическая шкапа

Результаты экспертной оценки двух типов морфологических матриц приведены в табл. 3:

преимущественно на решение без использования ЭВМ;

> задачи синтеза собственно принципов действия (нижняя часть уровня 2) и структур ТС (уровень 3) ориентированы как на решение с использованием, так и без использования ЭВМ, поэтому предпочтителен автоматизированный режим синтеза, что позволяет эффективно использовать творческие возможности человека и вычислительные возможности машины; ■ задачи поиска оптимальных параметров (уровень 4) ориентированы на решение в автоматическом режиме.

Наиболее часто в проектно-конструкторскон практике решаются задачи синтеза новых принципов действия и структур ТС.

Эвристический алгоритм синтеза ТС на сетке кода Грея

Задача синтеза ТС на морфологической матрице заключается в поиске номеров столбцов (значений признаков) в каждой строке матрицы, соответствующих максимальному значению некоторого заданного обобщенного показателя, характеризующего оптимальный вариант конструкции.

Для автоматизации этого процесса используется алгоритм поиска глобального экстремума функции многих переменных на сетке кода Грея [4], который позволяет решать задачи не* линейного программирования очень высокой размерности (до 10 состояний). Стратегия поиска опирается на эффективную стратегию поиска, реализуемую в системе "хищник — жертва" [2, 8]. Поиск оптимального варианта заключается в формировании автоматически расширяющихся сфер поискапри одновремен -

> тип А — матрицы небольшой размерности порядка 20x20;

•   тип Б — матрицы большой размерности по рядка 130x50.

Анализ табл. 3 позволил классифицировать задачи синтеза ТС следующим образом:

•   задачи синтеза функций (уровень 1) ориенти рованы исключительно на их решение челове ком без использования ЭВМ;

■ задачи синтеза физических принципов действия (верхняя часть уровня 2) ориентированы

ном перемещении центров этих сфер я направлении вероятного расположения оптимума (рис. 2).

Из исходного состояния системы (точка 0) -исходным состоянием служит прототип, заданный ка морфологической таблице — как из центра строится сфера поиска S единичного радиуса г. Если на этой сфере нет варианта, обладающего лучшим значением критерия качества, чем значение этого показателя у прототипа, то зона поиска расширяется построением сферы S радиуса 2г с центром в той же точке 0. Если

последующее исследование сферы покажет, что на ней имеется вариант с лучшим, чем у прототипа, показателем качества, то в эту точку переносится центр сферы поиска, а радиус новой сферы автоматически сужается до г.

Для каждой варьируемой переменной задается нижняя граница поиска, равная 1, и верхняя граница поиска, равная числу столбцов в каждой строке матрицы (табл. 4). Задается также начальный вариант конструкции в виде номеров соответствующих столбцов на каждой строке матрицы (например, А2, А3, А2, А1 ,

исходный вариант структуры автомобиля).

При работе алгоритма i-ый вариант конструкции отражается в едином двоичном слове с использованием кода Грея. Алгоритм представляет собой двоичный детерминированный автомат поиска двоичного слова, удовлетворяющего заданным требованиям. Самоадаптируясь, автомат выдает варианты двоичных слов, которые соответствуют вариантам хороших и плохих конструкций. Для каждого варианта рассчитывается значение обобщенного показателя, которое возвращается в алгоритм и используется для самоадаптации.

Сфера поиска представляет собой множество пробных точек, которые дают информацию о форме гиперповерхности целевой функции. Исходное слово, используемое для построения всех точек сферы, названо центром сферы.

Координаты точек сферы порядка m получаются поразрядным сложением по модулю двух слов центра с прямым и обратным кодом каждой строки сферообразующих матриц размером т.

Сферообразующая матрица любой размер ности иавна            i ,

где М — число, минимально превышающее длину каждого слова.

Матрица N равна матрице N , записанной в обратном коде.

Если m меньше длины слова, то оно изменяется последовательными участками длиной в m разрядов, причем каждому участку соответствует 2т пробных точек.

Стратегия выбора числа m сначала осуществлялась эвристически, а затем, после решения большого числа тестовых задач, уточнялась.

Алгоритм работает так, что если находится вариант конструкции, по значению обобщенного показателя лучший, чем у текущего решения, то на экран выдается меню, определяющее дальнейшие функции программы:

1,2. Вывести Ив экран ipaiEoe или полное описание "старого"-

лучшего-решекия.

3,4. Вывести на экран краткое или полное описание вновь

синтезированного решения

5,6. Вывести на печать храткое или полное описание вновь

синтезированного решения.

7.  Заполнить в качестве "старого" решения вновь синтезированное решение и продолжить поиск.

8.   Осуществить прогнозирование нового решения, продолжив поиск.

В результате такого диалога проектировщик получает возможность документировать отобранные и творчески оценивать синтезируемые варианты решения.

При работе с морфологической матрицей размером в 50 строк и средним количеством столбцов в каждой строке до 30 процесс эволюции конструкции от наихудшей до наилучшей происходит за 20...100 последовательных улучшений, а конструктор наблюдает процесс развития ТС, активно вмешиваясь в него и оценивая промежуточные варианты. При таком подходе сохраняются достоинства безмашинного метода морфологического синтеза большого числа вариантов конструкций и образуется новое качество, заключающееся в моделировании эволюции ТС. Следует отметить, что относительно большое число анализируемых человеком в диалоговом режиме целостных конструкций необходимо в связи с имеющейся некорректностью в существующей постановке задачи проведения раздельной оценки значений признаков, расположенных в разных строках морфологической таблицы.

Программный комплекс реализован средствами языка программирования ФОРТРАН-77 и системными программами, имеющими функциональные аналоги в операционных системах практически любых персональных ЭВМ. Кодирование морфологической матрицы осуществляется на входном языке MORFO.

Список литepатуры

1.    Внлюмс Э.Р., Слядзь Н.Н., Борисов А.Н, Программная система поддержки принятия проектных решений () Программные продукты и системы. 1989. N 4. С.70-77.

2.     Воинов Б,С. Принципы поискового проектирования радиоэлектронных устройств: Учеб. пособие //Иш-во Горьк. ун-та. 1983.76 с.

3.     Дворннкнн A.M., ГТоловинкнн А.И., Соболев 13.М. Метода синтеза технических решений. М.: Наука, 1977. 103 с.

Л. Косте рнн В.В., Костери н А.В. Алгоритм поиска глобального

экстремума и его применение дли многопараметрнческою синтеза

конструкций СВЧ Ц Вопросы релятивнстекой СВЧ-электрокнкн. м.: РТИ

АН СССР, 1933. С. 168-175.

5. Морфологический синтез систем : постановка задачи, классификация

методов, морфологические методы "конструирования" / В.М.Одрин //

Препринт I АН УССР. Ин-т кибернетики, 86-3. Киев, 1986. 37 с.

S. Морфологический синтез систем: морфологические методы поиска /

Ы.М.Одрик II Препринт / АН УССР. Ин-т кибернетики, 86-5. Киев, 19S6.

40 с.

7.   Одрин В.М. Метод морфологического анализа технических систем, М.: ВНИИ ПН, 1989. 321 с.

8.       Песков В.М. Друзья из берлоги // Комсомольская правда. 1°76. 28 марта.

Таблица  4 Морфологическая матрица для синтеза структуры автомобилей