Software & Systems

Проектирование новых и эффективных технических систем (ТС), удовлетворяющих современным требованиям, связано с перебором большого числа альтернативных вариантов, сосредоточенных в многочисленных источниках информации. Мировой фонд по отдельным классам ТС уже сейчас насчитывает несколько десятков тысяч патентных единиц, доступ к которым широкому кругу пользователей в значительной степени затруднен. Кроме того, постоянно повышается конструктивная сложность ТС и информативная насыщенность их описаний. Это связано с использованием в ТС элементов, функционирующих на новых нетрадиционных принципах действия (ПД) и физических эффектах (ФЭ), что затрудняет правильное понимание проектировщиками функционального назначения ТС и принятие правильного решения при выборе той или иной альтернативы. Это не позволяет разработчику, использующему традиционные методы «проб и ошибок» и «ручную технологию» конструирования, создавать современные ТС в предельно короткие сроки.

 Необходимость разработки экспертной системы (ЭС) проектирования ТС обусловлена еще и тем, что удовлетворение потребности в новых ТС возможно лишь при систематизации прошлого опыта в области проектирования того или иного класса ТС и возможности быстрого использования опыта новыми поколениями проектантов, конструкторов и исследователей.

Для решения указанной проблемы в течение ряда лет разрабатывается экспертная система (ЭС) для начальных стадий проектирования ТС, позволяющая повысить производительность и качество труда разработчиков новой техники.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАДАЧ, РЕШАЕМЫХ ЭС ДЛЯ НАЧАЛЬНЫХ СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТС

В основе стратегии разработки и использования ЭС для начальных стадий проектирования конкретного класса объектов лежит методика проектирования, определяющая последовательность следующих проектных процедур: формулировка задачи проектирования; генерация (синтез) вариантов проектных решений; анализ вариантов проектных решений; выбор варианта.

 Эти процедуры специфицируются как по объектам проектирования, так и по этапам проектирования. Можно выделить пять этапов разработки, относящихся к начальным стадиям проектирования: 1 — определение потребности в проектируемой ТС; 2 — формирование тактико-технических требований к ТС; 3 — формирование функциональной структуры ТС; 4 — разработка принципа действия ТС; 5 — разработка технического решения

С учетом выделенных этапов проектирования определяются решаемые ЭС задачи (табл. 1) и выполняемые ею функции (табл. 2). Пустые клетки в табл. 2 означают отсутствие в разрабатываемой ЭС конкретных реализаций автоматизированных проектных процедур.

Таблица 2 Функции ЭС для начальных стадий проектирования технических систем

ПРИРОДА ЗНАНИЙ

ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ЭС ДЛЯ НАЧАЛЬНЫХ СТАДИЙ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

База знаний (БЗ) рассматриваемой ЭС представляет собой хранилище структурированной информации, различной по природе и форме представления. БЗ включает как процедурные, так и декларативные знания.

Эти знания формируются для ЭС инженерами по знаниям (ИПЗ) и экспертами (Э) по схеме, приведенной на рис. 1.

В качестве инженеров по знаниям и экспертов выступают специалисты, знакомые с формализмами представления знаний и владеющие языками инженерных знаний, и высококвалифицированные специалисты в конкретной области техники.

Эти знания можно представить в следующем виде (рис. 2):

Z = Zj U Z2, где Z, — множество знаний, общепринятых в области проектирования и конструирования технических систем, описанных в научно-технической литературе (так называемые «общие» знания); Z2 — множество знаний, приобретенных в процессе профессиональной деятельности разработчиками новой техники и создателями автоматизированных систем конструирования новых объектов техники («личные» знания).

Множество Zj характеризуется наличием теорий, например, по методам проектирования, конструирования и принятия решений ТС.

Пересечение множеств Z, и Z9 представляет собой канонизированную часть Zk личных знаний, в которых нет расхождений между различными разработчиками-экспертами. В канонизированную часть знаний входят знания о закономерностях строения и развития ТС, иерархическом описании и структуре представления ТС, структуре эвристических методов конструирования и эвристических правилах синтеза новых принципов действия (ПД) ТС и технических решений (ТР) для реализации принципов действия.

Множество Z, содержит подмножество Z0, которое не имеет пересечения с Zr Это подмножество представляет ту часть личных знаний, которая обусловлена профессиональным опытом, мастерством и интуицией. Подмножество Z0 содержит: модернизированные и адаптированные к проектируемому классу объектов эвристические методы поиска новых ПД и ТР; выявленные новые закономерности строения и развития ТС и специализированные эвристические приемы; оригинальные формы формализованного описания логических переходов в процессе проектирования от списка функциональных требований к ПД и от них к ТР; систематизированные для конкретного класса ТС и представленные в виде словарей, списков и каталогов технические функции, функциональные конструктивные и потоковые структуры, известные и прогнозируемые ПД и ТР.

Знания, относящиеся к подмножеству Z2 и являющиеся основными в ЭС для начальных стадий проектирования, слабо формализованы. Однако эти знания основаны на конкретном и эмпирическом материале, поэтому более широко описывают предметную область.

Успех в реализации ЭС тем больше, чем выше удельный вес знаний Zj по отношению к знаниям Zk и Z0. Это обусловлено тем, что при большом удельном весе знаний Zk и особенно Z0 возникают трудности для формирования базы знаний, заключающиеся в следующем: эксперт не способен более или менее логично сформулировать правила принятия решений при проектировании; эксперт просто не желает передавать кому-либо свои знания, методы и правила; в исследуемой предметной области не находят подходящего эксперта.

Следует отметить, что со временем происходит перетекание подтвержденных практикой гипотез из области Z0 в область Zk и далее в область Ъх.

СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЗНАНИЙ О ЕДИНИЧНОМ ТЕХНИЧЕСКОМ РЕШЕНИИ

Для каждой ТС существует четко выделяемая иерархия ее описаний, которые отличаются двумя свойствами:

•      каждое последующее описание является более детальным и более полно характеризует ТС по сравнению с предыдущими,

•      каждое последующее описание включает в себя предыдущее.

Такие свойства имеют следующие описания: потребность (Р) — (функция) ТС; техническая функция (ТФ); функциональная структура (ФС), принцип действия (ПД), техническое решение (ТР). Иерархия этих описаний показана на рис. 3. Для представления знаний используются фреймы и фреймовые графы, в которых помечены вершины и дуги. Для описания свойств ТС используются следующие типы фреймов. Фрейм-потребность — (D, G, Н), где D — указание действия, производимого рассматриваемой ТС, G — объект, на который направлено действие, Н — особые условия и ограничения. Фрейм — техническая функция — (Р, Ат, Е, Ст), где Р — потребность, Ат — входной поток вещества, энергии или сигналов (или входной фактор), Ст — тоже выходной поток или фактор; Е — наименование операции Р. Коллера по превращению Ат в Ст. Фрейм — физико-технический эффект — (А, В, С), где А — входное воздействие, В — физический объект, С — выходной результат.

Фреймами-графами описываются функциональные конструктивные структуры, вершинами графа здесь являются наименования элементов технических объектов, а дугами — функции элементов; потоковые функциональные структуры, где в вершинах указаны наименования операций Р. Коллера — Е, а дугами — входные Ат и выходные Ст потоки вещества, энергии, сигналов или факторы; физические принципы действия, где вершинами графа являются наименования физических объектов, дугами — входные А и выходные С потоки вещества, энергии и сигналов; технические решения, вершинами графа здесь являются наименования элементов и их признаков, а дуги показывают соподчиненность между элементами и признаками. Карта описания единичного ТР является первоначальным источником формализованных знаний ЭС для начальных стадий проектирования.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЗНАНИЙ О МНОЖЕСТВЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Описание множества свойств ТС осуществляется на каждом иерархическом уровне (рис.3) с помощью семантических сетей.

Для ЭС, синтезирующих рациональные ТР, поле решений отображается семантической сетью с родо-видовыми отношениями в виде И-ИЛИ-дерева конструктивных элементов (рис. 4), модель принятия оптимального варианта для каждой вершины ИЛИ представляется сетью «показатели-альтернативы», а степень предпочтительности альтернатив определяется на основании знаний экспертов, выраженных экспертными оценками (рис. 5). Процедура выбора оптимального варианта на И-ИЛИ-дереве осуществляется от корневой вершины к висячим. Правило синтеза новых вариантов ТР на И-ИЛИ-дереве формализовано в виде комбинаторного алгоритма на морфологической матрице. Знания о методах проектирования ТР представлены в ЭС правилами-продукциями.

 Программное обеспечение ЭС для начальных стадий проектирования ТС реализовано на алгоритмических языках ФОРТРАН и ПЛ/1 на ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ.

Практическая реализация ЭС и примеры синтеза новых технических решений

ЭС для начальных стадий проектирования реализована для класса вибрационных устройств (виброзащитные системы широкого назначения).

В процессе разработки ЭС для класса виброзащитных систем автору удалось получить более полутора сотен новых ТР виброзащитных устройств, на 53 из которых уже получены авторские свидетельства на изобретения. Ряд устройств прошли опытную проверку на транспортных средствах и показали высокую эффективность.

Рассмотрим пример решения одной задачи поиска новых виброзащитных устройств (ВЗУ) с регулируемыми динамическими характеристиками. Синтез новых ВЗУ осуществляется в несколько этапов, на каждом из которых используется та или иная ЭС. На 1-м этапе с помощью ЭС формирования тактико-технических требований сформулирована цель разработки: спроектировать пневматическое ВЗУ, обеспечивающее эффективную виброзащиту радиоэлектронной аппаратуры в условиях с быстроизменяющейся температурой окружающей среды. На 2-м этапе из множества известных ТР с помощью ЭС синтеза прототипов найдена виброзащитная пневматическая система, в наибольшей степени удовлетворяющая цели разработки (прототип по авторскому свидетельству СССР № 241157, рис. 6). Анализ прототипа, проведенный проектировщиком на 3-м этапе, показал, что он не обеспечивает в полной мере достижения поставленной цели разработки в силу следующих присущих конструкции недостатков: пневматическое ВЗУ не обеспечивает эффективную виброзащиту в условиях с быстроизменяющейся температурой окружающей среды вследствие инерционности термокомпенсиру-ющего устройства и не обеспечивает высокую степень надежности работы из-за испарения и вытекания жидкости из камеры термокомпенсирующего устройства. Если решать задачу известным путем, необходимо применить в прототипе специальную систему автоматического регулирования температуры жидкости и герметизации, при этом сложность и стоимость конструкции повысятся.

Для разрешения возникшего технического противоречия на 4-м этапе с помощью автоматизированного интеллектуального подсказчика эвристических приемов найден эвристический прием, который в общем виде сформулирован так: «выполнить термокомпенсатор функционирующим на новом физическом принципе действия (ФПД)». Для реализации этого приема необходимо воспользоваться автоматизированным банком данных по физическим эффектам (ФЭ). Поскольку отыскивается ФПД термокомпенсатора, то представим его функцию в виде модели «черного ящика»: начальное состояние (вход) N — температура, конечный результат (выход) R — перемещение (сила). На 5-м этапе с учетом входного и выходного воздействий найдено с помощью автоматизированного банка данных по физическим эффектам два эффекта, обеспечивающих требуемое преобразование входного воздействия в выходное: 1 — эффект температурного биметалла; 2 — эффект изменения намагниченности тела под действием температуры (точка Кюри). На 6-м этапе проведена конструкторская проработка найденных новых ФПД термокомпенсатора, в результате которой получено два пневматических ВЗУ, наиболее полно удовлетворяющих цели проектирования. Одно из решений защищено авторским свидетельством СССР № 1132081.

Дальнейшее развитие ЭС для начальных стадий проектирования осуществляется в направлении усиления интеллектуального интерфейса пользователя, который должен содержать блоки объяснения и оптимизации функционирования системы. Кроме того, в ЭС предусматривается создание глобальной базы данных «классная доска» для хранения в ней промежуточных результатов с целью использования их на последующих шагах.