Программные продукты и системы

Уровень новой техники, ее конкурентоспособность на внешнем рынке закладываются на ранних этапах проектирования, когда определяются облик и принцип действия будущего изделия [1]. Характерной особенностью ранних стадий проектирования является то, что конструктору приходится осуществлять перебор и оценку большого числа альтернативных вариантов-прототипов, сосредоточенных в патентных источниках. В настоящее время в мире существует более двух десятков миллионов изобретений, в которых сосредоточены в виде технических идей и конкретных конструкций знания многотысячной армии исследователей и конструкторов новой техники.

Однако использование конструкторами в своей практике этих наукоемких информационных ресурсов осуществляется сейчас недостаточно активно. Это обусловлено тем, что описания большинства новых изобретений не несут полной исчерпывающей информации о ТС, поскольку их характеристики завуалированы. Поэтому данный вид информации с позиций конструктора «расплывчатый» и «нечеткий». Работа с таким многообразием специфических информационных документов требует от конструктора больших временных и интеллектуальных затрат, а качественное проведение всего объема работ, связанного с многоаспектным анализом и принятием оптимального решения, становится практически невозможным при использовании традиционной «ручной» технологии проектирования или использования известных банков данных патентной информации [2, 3].

Для решения указанной проблемы предлагается использовать специализированную диалоговую систему «Конструктор», ориентированную на информационную поддержку начальных стадий проектирования и являющуюся составной частью экспертной системы проектирования новых технических решений [4, 5] и САПР конструкторского назначения в машиностроении [6].

Структура и стадии разработки диалоговой системы «Конструктор»

Система «Конструктор» состоит из трех составных частей:

•    базы данных, хранящей фактографические данные о новых ТС;

•    уникальной СУБД;

•    диалогового интерфейса, обеспечивающего взаимосвязь между человеком-конструктором и базой данных.

Эффективность работы системы с учетом ее целевого назначения определяется в первую очередь диалоговым интерфейсом, который должен удовлетворять следующим функциональным требованиям:

1 — обеспечить возможность составления в автоматизированном режиме с достаточной степенью полноты поисковых образов ТС и поисковых запросов (при этом исключить возможность потери пользователем при выполнении этих процедур важных признаков, характеризующих ТС);

2 — исключить возможность формирования поисковых образов и запросов из противоречивых и несовместимых классификационных признаков и их значений;

3 — минимизировать затраты времени на составление поисковых образов и запросов, упростить процедуру по их формированию;

4 — обеспечить эффективную работу пользователей различной квалификации в режиме поиска данных;

5 — реализовать оптимальные режимы работы пользователя при различных исходных постановках;

6 — снизить степень неоднозначности описания близких по функциональному назначению ТС разными специалистами;

7 — минимизировать долю «шумовой» информации на выходе системы.

Удовлетворение первого требования связано с разработкой специализированного информационно-поискового языка (ИПЯ), формируемого специалистами той предметной области, для которой создается диалоговая система. Особенностью разработки ИПЯ для данной системы является то, что его создание базируется на методологии морфологического анализа ТС [7]. Цель этого анализа — классифицирование исследуемого класса ТС. Морфологическое классифицирование заключается в делении родового понятия на видовые таким образом, что последним могут соответствовать как множества уже известных конструкций, так и множества мыслимых ТС, появление которых возможно в будущем. В этом состоит главное отличие морфологического классифицирования от традиционного.

При разработке ИПЯ диалоговой системы «Конструктор», ориентированной на класс виброзащитных технических систем, морфологический анализ проводился более чем для 10 000 различных конструкций, относящихся к этому классу и защищенных авторскими свидетельствами и патентами в семи ведущих странах мира (СССР, США, Великобритания, ФРГ, Франция, Япония, Швейцария).

Морфологический анализ проводился по алгоритму, содержащему шесть шагов;

Шаг I. Проведение функционального анализа множества ТС.

Шаг 2. Построение множества обобщенных функциональных структур.

Шаг 3. Построение информационной модели, отражающей взаимодействие множества ВЗС с окружающей средой.

Шаг 4. Выявление множества функционально значимых отношений.

Шаг 5. Определение классификационных признаков.

Шаг 6. Выявление значений признаков и построение морфологической классификационной таблицы (фрагмент морфологической классификационной таблицы приведен в табл. П.

Требования со второго по седьмое, предъявляемые к интерфейсу, удовлетворяются за счет разработки семантической сети, отображающей множество сценариев диалога. В семантическую сеть заложены формализованные знания специалистов как конкретной предметной области, так и знания в области методологии проектирования ТС [8, 9].

На первом этапе построения семантической сети морфологическая классификационная таблица приводилась к виду многоуровневой иерархической классификации, представляемой графом типа «дерево» (рис. 1). Граф имеет три вида вершин: корневую вершину, вершины-признаки, вершины — значения признаков и два вида дуг, отображающих отношения: родо-видовые отношения типа «признак — значения признака» и причинно-следственные типа «значения признака — признаки». Таким образом, посредством отношений устанавливается взаимосвязь между большим число признаков и значениями признаков.

На втором этапе из иерархической классификации строится собственно семантическая сеть сценариев диалогового интерфейса. С этой целью устанавливается множество причинно-следственных отношений между всеми признаками и их значениями. Эти отношения определяют последовательность вывода классификационных признаков и их значений на экран дисплея в зависимости от существующего множества исходных постановок задач проектирования ТС.

Установленная посредством причинно-следственных отношений последовательность вывода на экран дисплея подмножества вершин-признаков и значений признаков, содержащая одну начальную вершину типа: «вершина-признак» (вход в сеть) и одну или более конечных вершин типа: «вершина — значение признака» (выход из сети), образует i-й сценарий диалога.

Множество таких сценариев диалога образует семантическую сеть сценариев диалогового интерфейса. Семантическая сеть может быть определена и как логико-информационная модель, формализованно отображающая ту определенную часть знаний специалистов,

которая связана с закономерностями составления технического задания при различной исходной цели проектирования. На рис. 2 показана семантическая сеть сценариев диалогового интерфейса (фрагмент), построенная с учетом иерархической классификации (рис. 1). Причинно-следственные отношения, отображающие множество сценариев диалога для начальных вершин (входов в сеть) Кх и К4, представлены на рис. 2 ориентированными дугами в виде сплошных и пунктирных стрелок. На рис. 3 приведены структурные схемы возможных сценариев диалога, отображенных приведенной семантической сетью. Например, в начале работы на сети с вершины К, возможна реализация следующих семи сценариев:

1)   К1-*К11-*К12-*Кг->К3-*К4;

2)  К^Ки^К^г-+Кг+К3-*К4~-+К7~>-Кв;

3)   К1-*К5-*К6-*К2-*К3^К4-^К7-+К8;

4)   К,—>-К5->-К6-»К2->Кз-*К4;

5)   Kj-i-Kg—►Кв-*К9->К10->-К2—«-Kg—>-К4;

6)   К1^К5-»-К6--*Кд^К10-»Кг-^Кз->-К4->К7-^К8;

7)   К,-*^.

Данная семантическая сеть, являющаяся информационно-программной основой диалогового интерфейса и обеспечивающая выполнение интерфейсом перечисленных требований, предъявляемых к нему, обладает еще рядом положительных свойств, которые заключаются в следующем:

•   сеть не содержит повторяющихся вершин, несмотря на то, что последние используются многократно в различных сценариях, вследствие чего экономится память ЭВМ и упрощается процесс подготовки больших по объему семантических сетей;

•   любая вершина сети может являться началом i-ro сценария диалога;

•   сеть имеет много входов для начала формирования множества сценариев и выходов их окончания, позволяющих организовать оптимальный режим работы конструкторам разной квалификации при различных исходных постановках задачи.

Диалоговая система «Конструктор» реализована на языке ФОРТРАН-4 и может эксплуатироваться на СМ ЭВМ (СМ 3, СМ 4, СМ 1420, СМ 1600, MERA-125/SM4A, Электроника-100-25 и других подобных ЭВМ) с объемом оперативной памяти не менее 64 К и одним или двумя дисководами, а также на ПЭВМ. Пакет снабжен полным комплектом документации и методическим обеспечением.

Практическое использование системы

Диалоговая система «Конструктор» использовалась для прогнозирования новых перспективных направлений поиска патентоспособных конструкций виброзащитных систем. В результате был синтезирован ряд новых технических решений, на которые получены авторские свидетельства Госкомизобретений [10,11,12].

Диалоговая система может быть использована для автоматизированного формирования морфологических матриц, используемых в комбинаторном синтезе рациональных ТС.

Особый интерес разработанная система представляет для решения задач по автоматизированному обучению новых поколений конструкторов конкретным классам ТС узкофункционального назначения, а также для решения задач по обучению студентов технических вузов навыкам работы с диалоговыми системами и банками данных.

Список литературы

1.     Артемьев Е. И., Кравец Л. Г. Изобретения, уровень техники, управление. — М.: Экономика, 1977,239 с.

2.  Цыганов В. М. Абуршитов С. А. Обеспечение патентной информацией в регионе на основе данных МЛ ИНПАДОК. — Вопросы изобретательства, 1981, № 5, стр. 45—47.

3.  Кадровский О. В. Новые задачи автоматизации процессов обработки патентной информации. — Вопросы изобретательства, 1982, № 7, с. 35—40.

4.  Андрейчиков А. В., Камаев В. А., Симонов В. А., Радышевская О. Н. Развитие экспертной системы начальных стадий проектирования ВЗУ. — Тезисы докладов II Международной научно-технической конференции «Программные средства комплексной автоматизации машиностроения», Калинин, 1987, с. 11—13.

5.     Андрейчиков А. В., Дворянкин А. м., Половинкин А. И. Об использовании экспертных систем в автоматизированном банке инженерных знаний для поискового проектирования и конструирования. — Изв. АН СССР. Техническая кибернетика, 1989, № 1.

6.  Фролов К. В., Добрынин С. А., Аболяев А. Ф., Абашкин С. В. К проблеме построения систем автоматизированного проектирования в машиностроении. — Машиноведение, 1985, № 6, стр. 3—8.

7.  Одрин В. М., Картавое С. С. Морфологический язык анализа систем. — Киев: Наукова думка, 1977. —148 с.

8.  Половинкин А. И. Законы строения и развития техники (постановка проблемы и гипотезы). — Волгоград, ВолгПИ, 1985. —202 с.

9.  Хубка В. Теория технических систем: Пер. с нем. — М.: Мир, 1987. — 208 с.

10.     Андрейчиков А. В. Пневматический упругий элемент: А. С. № 1409801 СССР//Б. Н. 1988 № 26.

11.     Андрейчиков А. В. Гаситель колебаний: А. С. № 1310544 СССР// Б. Н. 1987 № 18.

12.     Андрейчиков А. В. Пневматический упругий элемент: А. С. № 1310545 СССР//Б. Н. 1987 № 18.