автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Формализмы и алгоритмические обеспечение структурного синтеза физически неоднородных технических систем

р::: од

| 1 СЕН ¡395

На правах рукописи ЗАБОЛЕЕВА-ЗОТОВА Алла Викторовна

УДК 658.512.2

ФОРМАЛИЗМЫ И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА ФИЗИЧЕСКИ НЕОДНОРОДНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 05.13.12 -Системы автоматизации проектирования

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 1995

Работа выполнена на кафедре систем автоматизированного проектирования и поискового конструирования Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Камаев В. А.

Научный консультант-

кандидат технических наук, доцент Гришин В. А.

Официальные оппоненты :

доктор технических наук, профессор Кумунжисв К. В. кандидат технических наук, доцент Шевчук В. П.

Ведущее предприятие-АООТ "Волгоградский завод буровой техники"

Защита состоится ..¿Г" 1995 г. в ^ час,

в ауд. 209 на заседании диссертационного совета К 063.076.05 Волгоградского государственного технического университета.

мин.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волг.ГТУ. Автореферат разослан ч/ь^е*'*? 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцекг

Водопьянов В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Научно-технический прогресс предъявляет возрастающие требования к темпам проектирования новых технических систем и их характеристикам. Успешное решение, этой проблемы возможно путем разработки и практического использования САПР для различных классов технических объектов, что связано с необходимостью решения задач структурного синтеза физически неоднородных технических систем, возникающих на ранних стадиях проектирования. Реализуемые при этом проектные процедуры связаны с решением трудно формализуемых задач, характеризующихся наличием неполной и нечеткой информации как о создаваемой технической системе (ТС), так и о методах ее синтеза.

Существующие методы синтеза сложных структур ТС являются либо узкоспециализированными и, как следствие, ограниченными рамками конкретных предметных областей, либо имеют характер слабоструктурированных проектных процедур, а иногда даже общих рекомендаций в виде тех или иных эвристических правил, которые чаще всего не формализованы, что не может гарантировать успеха при решении задач структурного синтеза в реальных практических ситуациях.

Применение методов искусственного интеллекта в проектировании и конструировании ориентировано в основном на решение задач компоновки графических образов, или сугубо информационную поддержку процедур синтеза ТС (без алгоритмов синтеза), или на создание универсальных систем, в которых выбор видов знаний и структуризация предметной области полностью возлагаются на инженера по знаниям, err квалификации которого в области решения изобретательских задач зависит успех синтеза технического решения. Данное обстоятельство подтверждает необходимость реализации компьютерной технологии для решения задач структурного синтеза технических систем, обеспечивающей высокий уровень структуризации и манипулирования современными физическими и инженерными знаниями, формальными методами оперирования знаниями, принятыми в системах искусственного интеллекта.

Одной из задач, возникающих при структурном синтезе ТС, является необходимость многоуровневой визуализации получаемых результатов. Наиболее распространенными в инженерной практике формами представления анализируемых или синтезируемых ТС считаются чертежи и описания на естественном языке со структурой текста, близкой к принятой в патентоведении формуле изобретения. В известных системах автоматизированного проектирования ТС языковое отображение результатов весьма cxevjriWHo, лишено компактности, а, следовательно, и наглядности, и, таким образом, трудно интерпретируемо пользователем. Поэтому задача естественно языкового отображения результатов структурного синтеза ТС оказывается достаточно актуальной и требует детальной разработки.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной рабо] является повышение качества и производительности труда инженере проектировщиков физически неоднородных ТС путем внедрения в их лрактш эффективных формализмов, алгоритмов и пнкарнаггтной программной сред! следуя выбранной технологии автоматизированного проектирования конструирования технических систем.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

¡.Построение формальной системы представления физических и инженерны знаний, необходимых для решения задач структурного синтеза в рамках шбранно технологии автоматизированного конструирования физически неоднородны технических систем.

2.Разработка алгоритмического обеспечения структурного синтеза физическ неоднородных технических систем с контурами обратных связей и нечетким отношениями между элементами.

3.Разработка формализмов и алгоритмов, обеспечивающих описани ■синтезированных технических систем на ограниченном естественном языке.

4.Разработка макета интеллектуальной программной среды, предназначенно! для информационной и алгоритмической поддержки структурного синтез технических систем.

. Основные методы исследования. При разработке формальной системь представления физических и инженерных знаний использовался математически} аппарат теории систем, нечетких множеств, теории автоматов и нечеткой логики При разработке формализмов и алгоритмов, обеспечивающих описанш синтезированных технических систем на ограниченном естественном языке использовались методы структурной и прикладной лингвистики. Разработкг программных и информационных средств произведена на основе современны» принципов цистроснни САПР.

Научная новизна результатов, выносимых на защиту, заключается в следующем. •

1. Определены состав и структура семантических категорий, определяющих нечетко формализованную техническую систему. Определены объект и цель формализации.

2. Описаны типы соединения элементарных подсистем с точки зрения нечетких связей, я построена КС - грамматика, позволяющая синтезировать цепочные, древовидные и сетевые структуры, имеющие обратные связи, на одном иерархическом уровне описания технических систем.

3. Построена синтаксическая модель текстообразования в виде расширенного РС-автомата для описания структур технических систем на ограниченном естественном языке.

4. Определены основные этапы алгоритмизации для формирования ¡¡генетического семантического графа структуры технической системы, гарактеризованы классы лингвистических объектов и отношений.

5. Разработано алгоритмическое обеспечение процедур, осуществляют!'-:" руктурный синтез физически неоднородных технических систем на различных рархнческих уровнях их описания и переход мо^зу ними.

Практическая ценность работы. Обусловлена повышением юизводительности решения задач синтеза сложных физически неоднородных хнических систем.

Разработанное алгоритмическое обеспечение и инвариантная теллектуальная программная среда могут быть использованы при оекгированин предметно ориентированного программного комплекса для эуктурного синтеза физически неоднородных технических систем с постоянной гогоуровневой структурой и ограниченным десятками числом элементарных дсистем.

Разработанное алгоритмическое обеспечение синтеза технических систем жет использоваться для синтеза новых физических принципов действия в злнчных предметных областях

Разработанная архитектура и алгоритмическое обеспечение нгвистического процессора могут использоваться при проектировании исания структур технических систем в программных средствах различного значения.

Разработанные формализмы, алгоритмы н программное обеспечение пользуются в учебном процессе в виде методических указаний.

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты ссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе лгоградского государственного технического университета, выполняемой в )гветсгвии с планом госбюджетной НИР по те...г ГАСНТИ 14.01 Л, 1435.00 азработка автоматизированных контрольно-обучающих систем по разделам гбных курсов "(№37.065), подтема "Разработка автоматизированных трольно-обучающих систем по САПР, методам ■ инженерного творчества, шертным системам"(№37.065.05)

Результаты исследований диссертационной работы и разработанное эграммное обеспечение используются в учебном процессе ВолГТУ.

Апробация работы. По основным результатам диссертационной работы :ланы доклады на научных семинарах по автоматизации проектирования лгТУ (Волгоград, 1989-1995 гг.); на научных конференциях профессорско-гподавательского состава ВолгТУ (Волгоград, 1989-1990,1994 гг.); на научной (ференции профессорско-преподавательского состава ВИСИ (Волгоград, 1989 на Всесоюзной конференции "Конструкторскотехнологическая информатика, гоматизированное создание машин и технологий (КТИ-89)" (Москва, 1989); на

Всесоюзной научно-технической конференции "Экспертные обучающие системы"

• (Саратов, 4-8 сентября 19S9 г.); на Второй Всесоюзной конференции " Проблемы виброизоляции .машин и приборов" (Иркутск, 12-14 сентября 1989 г.); Всесоюзном научно-техническом совещании "Программное обеспечение новой информационной технологи" (Калинин, 24-26 октября 1989 г.); на Международной научной конференции студентов и молодых научных работников "Применение компьютерных технологий в производстве" (НРБ, Варна, 16-19 ноября 1989 г.); на Всесоюзном научно-техническом совещании "Интеллектуальные системы в задачах ' проектирования, планирования и управления в условиях неполноты информации" (Казань, 15-20 января 1990 г.); на Всесоюзной научно-практическом семинаре "Интеллектуальное программное обеспечение ЭВМ" (Ростов-на -Дону - Терскол, 13-19 мая 1990 г. ); на 5-и Всесоюзной конференции "Автоматизация поискового конструирования - теория и методы технического творчества (АПК-90)"(Ижевск, 4-6 сентября 1990 г.); на 3-й Международной научно-технической конференции "Программное обеспечение ЭВМ"' (Тверь, 27-29 ноября 1990 г.); на Коломенских чтениях по

• искусственному интеллекту "Нечеткие технологии в ИИ" (17-20 мая 1993 г.); На I межвузовской научно-практической конференции студентов и молодых ученых Волгоградской области "Новые промышленные техника и технологии. Компьютерное обеспечение и компьютерные технологии" (Волгоград, 5-9 декабря 1994 г.).

. На защиту выносятся:

1.Способ формализации функциональных структур технических систем как нечетких семантических графов.

2.Способ формализации процедуры структурного синтеза технических систем, реализующей технологию трехуровневой декомпозиции проектируемого

. технического объекта.

3.Способ формирования синтаксической модели словообразования для естественно языкового описания структур технических систем из предположения, что смысловая компонента полностью определена семантическим трафом.

4.Организацию алгоритмического и программного обеспечения " интеллектуальной программной среды, реализующей предложенные формализмы.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пят» глав с выводами, заключения, списка используемой литературы из 171 наименования и приложения. Общий объем работы 185 страниц, в тексте содержится 32 рисунка, приложения занимают 10 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, дается краткая раютсристика работы, приводятся оснозные результаты диссертации. > .

В первой главе приводится крртслй обзор н анализ методов эуктурного синтеза технических систем, применения методов искусственного теллекта и методов синтеза естественно языковых конструкций в САПР. На новации этого формулируется цель и задачи исследования.

Структу рный синтез технических систем производится на этапе поискового нормирования. Наиболее распространенными методами поискового нсгрунрования являются эвристические; логико-комбинаторные и методы нтсза на И'ИЛИ-графах; а также автоматизированные методы поиска пическнх принципов действия на основе банка физических эффектов, шсанные подходы являются эффективными при модернизации существующих при создании принципиально новых технических систем. ' Однако, из-за полкой формалнзованности отдельных проектных процедур, они не могут еспечить сквозной автоматизации процесса проектирования, тем более возного математического моделирования с целью синтеза оптимальных шических систем.

В области создания компьютерной технологии автоматизации нструирования изделий машиностроения известны работы Гришина, азунова, Дворянкина, Зарипова, Коллера, Мазурюша, Пиявского, >ловинкина, Роденакера и др. Выделены следующие основные этапы синтеза шических систем: выявление потребности, формирование технического цания, синтез потоковой функциональной структуры, синтез функционально-вической струтауры, синтез конструктивной функциональной структуры, кументирование результатов конструирования. Каждому этапу. нструирования соответствует определенный уровень моделирования И гимизации. В диссертационной работе используе..я данная последовательность нтеза технических систем.

Имеются разные классификации видов знаний, моделей и методов работы, знаниями в исследованиях по искусственному интеллекту. Различные виды аний описываются моделями, группирующимися вокруг четырех типов: гические, сетевые, продукционные и фреймовые. Для использования при нтезе технических систем имеющихся формальных моделей необходима ■едваритсльная структуризация физических ■ и инженерных знаний, шествующие модели знаний наиболее часто применяются в экспертных стемах (ЭС). Для поискового конструирован!'", известны ЭС, реализующие ристичсские методы синтеза технических систем. Характерной особенностью аний, используемых при структурном синтезе технических систем, является их определенность. Различные аспекты описания нечетких систем и принятия . шений в условиях неопределенности освещены в работах Аверкина,

Батыршииа, Блишуиа, Борисова, Пискунова, Поспелова, и др. Вопрос решет задачи сгрустурпого синтеза нечетких систем остается открытым.

Для отображения результатов синтеза' технических систем рассмотрен вопросы естественно языкового синтеза. Проблема создания общей теори внелингвистического синтеза остается открытой. Имеется ряд моделей д; описания лингвистического синтеза: деревья синтаксического подчипсии системы составляющих, системы синтаксических групп и др. Применен! математических методов в современной лингвистике носит вспомогательны характер, ограничено рамками решения конкретных проблем и не применяете для синтеза описания структур технических систем. В САПР используется мете шаблонов, содержащий элементы семантики и синтаксиса, одпако для описанг структур ТС шаблонов не разработано.

Во второй главе описаны формализмы представления знаний л,1 структурного синтеза технических систем.

Рассмотрены концентуальиые основы представления технических сис1 ем процесса структурного синтеза с точки зрения используемой технологии, качестве основополагающей принята концепция функционально-логически! анализа потоков вещества, энергии и информации в синтезируемой технически системе (ТС). При этом процесс структурного синтеза осуществляет« итерационно путем последовательных модельных приближений и реализуется л следующих этапах: формирование модели цели (в виде совокупности технике экономических требований и ограничений), синтез гиперструктуры ТС физической и конструктивной функциональных структур.

В целях описания процесса синтеза структур ТС введены следующие С( ыантические категории: техническая система, структура ТС, элементарна подсистема, соединение элементарных подсистем, универсальное множеств входных и выходных воздействий (и), универсальное множество состояни объектов воздействия (О). В работе описаны состав н структура каадо семантической категории, а также отношения между ними.

Синтезируемая техническая система определена как обьект вида

где X и У - множества входных и выходных воздействий, являющихс частью универсума, содержащего наименования вещественных, энергетических информационных потоков и их нечеткие характеристики;

8 - нечеткий семантический гиперграф, -интерпретирующий структур системы:

где 81Ч = множество элементарных подсистем, К • множество типо

соединения подсистем и р - двухместный нечеткий предикат инцидентност1 определенный для всех пар (8? г) ^ев^ геИ) и принимающий значения и интервала [0,1].

Элементарная подсистема определена в виде:

я«<хК у.м, о*,о. С), где Х.1- - множество входов, содержащее вещественные (V), энергетические ,) и информационные (Р) воздействия: Х^с (УиЕиР); У.м - множеств ) .¡ходов: У."! с (УоЕ^Р); О*- множество состояний объе ма воздействия; в} -лходная функция; Г; - преобразователь выходной функции. Верхние индексы в .ь и У.м определяют соответственно количество входов и выходов, в О*-

мпчсство состояний объекта воздействия. Определение элементарных здснстем отражает большинство вариантов структурного представления :алы!ых функциональных элементов ТС, в частности, сборочных узлов иперэлемешов), а также физических и конструктивных элементов. Так, шример, при М - 0 элементарная подсистема на физическом уровне отражает [эфекты топа "поглощение" вещества, энергии или информации, при Ь=0 -[>4>екты "излучения", при 1/=М=0 - эффекты "преобразования" и т.п.

Выходная функция ( а;: 0(*Х{->У{), характеризующая подсистему, 1ределяется кпк композиция грех отображений:

Если отсутствует ер} или <рз, подсистема отражает так называемые тугрешше" эффекты, явления или процессы. Каждое из этих отображений вдуцирует нечеткое отношение на декартовом произведении множеств. Так, . гображеншо <р] соответствует отношение

КГ и Ц (х,оХх,о),

(ЫеХ^хО*

где м : Х^- хо^—> [0,1 ] - функция принадлежности нечеткого отношения И.;

И; 1 1 .

К К V

гображению <?2 : О. ->0] соответствует отношен..л Иу и отображению ср3: О*

'^-отношение В матричном виде 1^= {'г^; ^"»Ц1«^!; ^рг^!-^и^-ножества индексов: 1,= {1,2,...,^}, 12= {1,2.....г^},"!^ {1,2,...,^}. Очевидно,

Выходная функция элементарной подсистемы определяется как результат перации максиминной композиции матриц нечетких отношений Я|, 112 и Яз:

Л'-Я,. К1=|'г,1=11г,1||х |2г,2||= ¡тахС'г^гшгЛ, ^.где1а> Г=(1,иЦ)\1; \' г, [=^'г )| ,где Ь(Г 1. ■

Преобразователь ^ рассматривается как дополнительное информацнон • воздействие, выделенное для организации струстур ТС с контурами о0рат> связей.

Универсальное множество входных и выходных воздействий ¡IV иерархическую структуру. Верхний иерархический уровень, использующийся , синтеза птерструктур ТС, представляет соСюй совокупность лингвистичсс; переменных, характеризующих интенсивность конкретных вещественных ■энергетических потоков. Средний иерархический уровень универсалы! множества содержит множество векторов физических величин, соответствую» термам лингвистической переменной. Каждая физическая величина веки характеризуется своим нечетким числом. Второй иерархический уро»| универсума используется для синтеза физических структур ТС. Двух уровнев элемент.универеума имеет следующий вид

и = (и', Хга),

где и' - наименование потока; Хт - терм соответствующей лннгвистнчес) переменной р; а" - вектор физических величин: а" = (аг ..., а!.....а^), а1 = (аг А1Т),

где а( - имя физической величины. Х>т - нечеткое число, характеризующее д пазои ее значения. Например, энергетический ноюк может характеризоваться дв\ физическими величинами - потоковой и погенцихтьной: а= (ал,а,

Информационный поток характеризуется одной физической величиной.

Для формализации различных типов соединения нечетких подснст ог(ределены операции сравнения элементов универсума. Описаны типы соединю: подсистем: последовательное, параллельное, правый и левый узел, управляющш обратные связи.

Элементарные подсистемы 5Г ....Б......соединены последовательно, ее

.. (У|<кХЗу,еУ1)(Зч+1бХ1+1ЖгОС;4.1-0=>>15х4+1].

Две подсистемы (для определенности в! и §2) соединены параллельно, если (Уу,6Р,<ХЗуеРТ1ХЗ,,еРхДЗж2€РХ!ХХ1оХ2^0)&((Х1=Х2)=>(У1=У2&О^О2) (У1 гу2))У((х1 гх2)^((УгУ2)У(У1 ;У2))). . Здесь Рг>, РУ), Рх , РХ[ - множества соответствующих информационных входных выходных потоков в подсистемах Б, и , 2 - знак нечеткого сравнения.

Подсистема 83 образует правый узел с подсистемами 5; и Б2, если (Зу,еУ,Х3у2еУ2ХЗХз, х? е Х3 )[у<х'3&У^]■

Подсистема Бз образует левый узел с подсистемами и Б2, если (Зу^у3"€ У3ХЗх1бХ1ХЗх3еХ2)[у^ < х^у^х,].

Управляющие связи устанавливаются для всей совокупности к подсистем, если:

Обратные связи устанавливаются, если:

(З^ХЗ^ХУх^Х.ХУ^бУ^О^У)^].

Дополнительно введена контекстная операция разбиения потока Рассмотренные типы соединения двух и трех подсистем распространяются на роизвольное- количество подсистем при помощи рекуррентного правила, еализуемого КС-грамматикой над множеством элементарных подсистем и типов* эединения. которая при соответствующей интерпретации цели позволяет иализировать и синтезировать произвольные структуры ТС.

Функционирование нечеткой системы, структура которой образована 'при омоши рассмотренных соединений, описывается отношениями, определяемыми по тедующим правилам:

последовательное соединение характеризуется максиминной композицией атрнн нечетких отношений соединенных элементарных подсистем;

параллельное соединение подсистем Б] и Б2 с нечеткими отношениями

,= ¡14,1 и Я2=рг,1| характеризуется отношением Я =|г,|, где I = (^и^У^Л^. = тах(г,1 ,г,а); параллельное соединение нескольких подсистем определяется ре-

урсивно по этому же правилу,

если подсистема вз образует узел с подсистемами 5| и 82, то отношение И, пределяющее функционирование нечеткой системы, считается как параллельное зединение подсистем Б' с Я', определяемым через максиминиую композицию Яз и 1, и Б" с Я", определяемым через максиминную композицию Из и Из;

при наличии обратных связей отношение Я определяется рекурсивно в ш иснмости от видов соединений.

Устойчивость синтезированной структуры ТС определяется с точки зрения меющихся нечетких связей следующим образом:

1. Выделяются все маршруты гиперграфа структуры, соединяющие «систему, им^'ощую свободное множество входов (начальную подсистему) и эдсистему, имеющую свободное множество выходов (конечную подсистему).

2. В каждом из полученных маршрутов определяется наименьшая степень ицидентности, характеризующая все имеющиеся типы соединений.

3. Из полученных значений степеней инцидентности выбирается аксимальное.

Полученное таким образом числовое значение определяет устойчивость штезированной структуры.

В третьей главе рассмотрено алгоритмическое и информационное . 5еспечение структурного синтеза ТС.

Программная реализация рассмотренных выше формализмов обес-:чивается соответствующей организацией данных о структурных элементах хнических систем и их взаимосвязях. Разработанная интеллектуальная эограммная система имеет предметно ориентированную и инвариантную >мпоненты базы данных. Инвариантная часть базы содержит данные о входных выходных воздействиях в элементарных подсистемах и их нечеткие рактеристики. Предметно ориентированная часть содержит модель требований

и ограничений, предъявляемых к синтезируемым ТС в конкретных предмстиь • областях, & также базы гиперэлементов и конструктивных элементов ТС. В< типы воздействий, а также множество состояний объекта воздействия, описыв етса при помощи древовидной структуры (тина ИЛИ), узлы которой, кроме .тист св, содержат наименования подгрупп соответствующих типов воздействий. Ли тья деревьев имеют более сложную структуру, соответствующую элемеш универсального множества входных и- выходных воздействий, необходимую д: реализации алгоритмов синтеза. Древовидную структуру (тина И/ИЛИ) имеет база, содержащая требования и ограничения; предъявляемые к сишсзнрусмыч Т в конкретной предметной области.

Базы гипер, физических и конструктивных элементов имеют фреймовут структуру. Каждый фрейм, характеризующий гиперэлемент, имеет следующи слоты: (идентификатор гинерэлсмента), (входы), (выходы), (состояние объекта) (управляющие воздействия), (техническая реализация). Слоты (входы), (выходы (состояние объекта) и (управляющие воздействия) содержат следуюшн

. цодслота: (количество воздействий), (воздействие 1).....(воздействие п), где

(воздействие ¡) ::= ("тип воздействия", "имя воздействия", "имя лингвистическо переменной", X). В этой структуре "тип воздействия" - ссылка на тип деревз и древовидной базы данных; "имя воздействия" - наименование лист соответствующею дерева:" имя лингвистической переменной" - в данном случа< "интенсивность"; к - текстовое значение терма лингвистической переменной ил: числовой интервал, определяющий степень интенсивности воздействия указанием единиц измерения. Слог (техническая реализация) - описани функционального техническою блока, или сборочного узла на ограниченно» естественном языке. Рассмотренная структура данных может быть использована ] для оииЛнТ«! классического потокового функционального элемента. В это> случае слот (техническая реализации) содержит текстовое описани . соответствующей физической . операции, а синтезируемая гиперструктур вырождается в потокову ю функциональную структуру.

Под физическим элементом (физическим эффектом) подразумеваете: ' элемент данных, отображающий взаимосвязи между физическими величинами, ( соответствующими диапазонами их изменения. Физический элемент используете: с целью структурного синтеза ТС в соответствии с разработанным! формализмами. Фрейм, отображающий физический элемент, содержит слоты аналогичные гиперэлементу.

База конструктивных элементов состоит из двух типов данных: собственкс конструктивных элементов, имеющих простую сгрутоуру, и правил-продукций выражающих связи между конструктивными элементами. База собственнс конструктивных элементов представляет собой множество технически? реализаций физических элементов и тигТов соединений между элементами кат гипер-, так и физической структуры. Описание конструктивного элемента содержит в себе:

(идентификатор конструктивного элемента), (текстовое описание технической реализации), (ссылка на физический элемент), (ссылка на тип соединения), (ссылка на тип потока). Здесь ссылка на тип соединения означает ссылку на последовательное, параллельное, узловое соединение физических элементов или на операцию разбиения потоке с указанием соответствующих потоков.

Связи межлу конструктивными элементами зависят от предметной области. Поэтому база конструктивных элементов представляет собой граф, структуру которого нельзя определить заранее. Способом описания связей между элементами в этом случае являются продукции вида:

"Если КЭ1 ТО (КЭ2 ИЛИ КЭ3 ИЛИ КЭ4 ИЛИ ...);...;

если КЭ4 ТО (КЭ- ИЛИ...);...",

где КЭ1 - ¡-й конструктивный элемент, являющийся технической реализацией

конкретного физического элемента. Для конструктивных элементов, реализующих соединения подсистем, прол}"кцин - имеют вид: в случае последовательного и параллельного соединения - "Если КЭ^ И КЭ| ТО КЭ^"; в случае узла и разбиения

потока - "Если КЭ- И КЗ- И КЭ, ТО КЭ Здесь КЭ-', КЭ;, КЭ, и КЭ„ - ссылки 1 J К Ш г к т

на элементы данных, описывающие конструктивные элементы, характеризующие

носители потоков.

Разработано алгоритмическое обеспечение выделенных этапов структурного синтеза ТС: формирование технического задания в виде модели цели на основе И-ИЛИ дерева требований и ограничений, предъявляемых к техническим устройствам (или иным объектам, подлежащим формированию) конкретной предметной области; синтез гиперструктуры (ГС) на основе базы гинерэлементов и древовидных баз входных и выходных воздействий; синтез физической функциональной структуры (ФФС) на основе полученной гиперструктуры, базы физических элементов и баз входных и выходных воздействий; синтез конструктивной функциональной структуры (КФС) на основе физической структу ры и базы физических элементов.

Под горизонтальным синтезом понимается синтез структуры на конкретном уровне описания ТС. Горизонтальный синтез основан на методе "прямой и обратной волны", интерпретируемом по разному для цепочечных, древовидных и сетевых структур. Управляющие связи осуществляется когда в синтезированной структуре ТС имеются элементарные подсистемы с. управляющими информационными воздействиями. В этом случае, для каждого управляющего воздействия осуществляется поиск соответствующего ему входа или выхода среди входов н выходов в элементарных подсистемах структуры. Если таких воздействий не находится, то соответствующее управляющее воздействие остается свободным и не влияет на дальнейший структурный синтез. Если же устанавливается связь с подсистемой, находящейся правее рассматриваемой (индекс которой больше индекса рассматриваемой подсистемы^ то считается, что установлен контур обратной связи.

м

Под вертикальным синтезом подразумевается процесс перехода мевд уровнями горизонтального синтеза, т.е. переход от гиперструктуры к синтез физической функциональной структуры. Алгоритм вертикал!лого сшпез основан на понятии двух уровневого элемента универсального множеств входных и . выходных воздействий и информационно обеспече! соответствующими структурами данных. Переход от гнперструктуры к ФФ< осуществляется в том случае, когда среди синтезированных ГС отсутствует хот бы одна замкнутая (не имеющая разрывов) структура, удовлетворяюша: требованиям устойчивости и ограничениям модели цели, или количеств« разрывов соответствует допустимому. Обобщенный алгоритм вертикальной -синтеза основан на понятии вакантной подсистемы. При переходе на следутощи! уровень каждая вакантная подсистема принимается за модель цели дл! вертикального синтеза. В зависимости от количества вакантных подсистем осуществляется синтез принципиально нового или модернизируемой технического решения. Переход от ФФС к КФС осуществляется всегда, ес.'н существует не менее одной замкнутой ФФС и для каждого из физически) •элементов имеется не менее одной технической реализации в рассматриваемое предметной области. В противном случае имеет место неполнота базы физически> и (или) конструктивных функциональных элементов.

Решены следующие задачи реализации нечетких связей: установление соответствия полученных в результате диалога с пользователем входных и выходных воздействий с "листьями деревьев" воздействий: установление соответствия воздействий гиперэлементов и "листьев" древовидных баз для реализации вертикального синтеза; определение функции принадлежности, характеризующей степень совпадения интервальных значений одноименных воздействий для реализации всех типов соединений подсистем. Для каждой лингвистической переменной строится своя совокупность функций принадлежности термальным интервалам. Для этого используется экспоненциальная функция, параметры которой определяются в зависимости от взаимного расположения границ интервалов.

Синтез КФС представляют собой задачу- компоновки конструктивных элементов ТС. В настоящей работе рассматривается один из возможных подходов к решению данной задачи: метод "прямой и обратной волны" над системой продукций, отображающей конструктивную совместимость технических реализаций физических эффектов.

Анализ синтезированной структуры ТС производится по И/ИЛИ группе критериев, основанных на равномерном распределении вероятностей использования всех технических реализаций. Вопрос глубокой оценки ТР, хорошо освещенный в литературе, не является целью диссертационной работы.

В четвертой главе решалась задача описания структуры ТС на ограниченном естественном языке.

Рассмотрены вопросы: определение вида и уровня информации, содержащейся в формируемом ЕЯ-тексте; состав и структура лексических единиц

езауруса; синтаксическая модель предложения, описывающего структуру ТС; реобразование семантического графа структуры ТС в семантический граф ЕЯ-:кста; линеаризация семантического графа и отображение его в модель редложения; согласование лексем; алгоритмическая реализация рассмотренных ормалнзмов.

Под тезаурусом понимается терминологический словарь, включающий в :бя терминологию в области проектирования технических систем конкретной редметной области, з также в области общефизических и общеинженерных иний. Состав тезауруса формируется из модели предметной области, описания ючен гарных ТС, вещественных, энергетических и информационных потоков и *с -взаимодействия в синтезированной структуре ТС. В качестве языка описания ювзря используется одна из распространенных в лингвистике схем:

; ^термин семант. множитель термин частота

дескриптор -►

гксический состав термина описан при помощи формы Бекуса-Наура.

Модель текстообразования предназначена для формирования ЕЯ-описания руктуры ТС из предположения, что смысловая компонента определена мангическим графом, описанным в главе 2. На первом этапе моделирования армируется лингвистический семантический граф структуры, отображающий дзнные семантические отношения между элементарными подсистемами, через ношения между лексемами и группами лексем. Переход к лингвистическому мантическому графу не является однозначным и определяется как результат четкой факторизации лексем тезауруса. Определены следующие группы ношений: отношения между событиями, отношения между понятиями, ношения между понятиями и событиями, отношения между понятиями и рактеристикамн л между событиями и характеристикам, отношения между рактеристиками.

Под синтаксической моделью понимается формальная система отображения нгвистического семантического графа в правильно построенное предложение сского языка. Модель представляется в виде расширенного РС-автомата:

А=(Х,М,М„г,1,го,2г), : X - множество входов вида 5, ¿¡+1), 8 - элемент множества лингвистических гашений, а;Д+1 - элементы тезауруса; М - множество вершин в рфологкческой структуре; М, - множество словосочетательных элементов; Z -ожество состояний, определяемое как множество образуемых словосочетаний; - начальное состояние ( пустая строка ), - конечное состояние ( правильно :троенное предложение ), I - переходное отображение (I: Ъ х X х М х М,-> 2). одная цепь в автомат формируется в результате линеаризации лингвистической (антической сети. Для этого используется транслирующая КС- грамматика над сторизованными множествами элементов тезауруса и лингвистическими «мнениями, содержащая тридцать восемь правил-продукций.

Для морфологического синтеза применен декларативный метод как мен г. трудоемкий и более быстрый, так как при этом используется подмножества естественною языка, характеризующееся Относительно небольшим опьг.мом словаря и ограниченным количеством омонимов для каждой словоформы.

Морфологические знания представлены в виде семантического графа

ст - (М, р^. д,г,},

где М - множество вершин двух соответствующих типов: а - основы, значащие словоформы и соответствующие им наборы морфологи ческой информации; 8 - отношения (полученные в результате факторизации отношений между элементами тезауруса) и соответствующие им наборы морфологической информации; - множество ребер, отражающих отношение инцидентности между вершинами первого и второго типов, С):п(5,а) - предикат инцидентности.

В целях программной реализации рассмотренных формализмов ЕЯ-сшпсза. описан состав и структура базы знаний, имеющей следующие основные компоненты: а) семантическая; б) синтаксическая; в) ■ морфологическая и словообразовательная. Семантическая компонента содержит знания, необходимые • • для формирования лингвистическою семантического графа, а именно: тезаурус, имеющий описанную выше структуру, классы лексем и отношений, а также систему правил приписывания объекта (лексемы или совокупности лексем) соответствующему классу. Синтаксическая компонента содержи г знание (множество продукций), необходимые для линеаризации семантического графа Морфологическая и словообразовательная компонента представляет собой базу данных, содержащую наборы словоформ с комплексом морфологической информации (характеристик). Для заполнения морфологической базь: используются основы лексем тезауруса.

Описана архитектура лингвистического процессора, включающего в ссб; три главных функциональных блока: работа с базой знаний, синтез ЕЯ-описанти и блок самообучения. Блок синтеза ЕЯ-текста содержит три основных подблока формирование входной цепи, реализация переходного отображения и анали: построенной предикативной единицы текста. Основные этапы ЕЯ-отображенш различных типов структур и их семантические графы рассмотрены на пример< синтезированной виброзащитной системы.

В пятой главе рассмотрены примеры структурного синтез: вибрационных систем с использованием разработанных формализмов т алгоритмов. Отражены следующие вопросы: формирование содержание предметно ориентированных баз знаний для ИС "АСТРЕЯ"; примерь формирования технических заданий для синтеза вибрационных систем; примерь синтеза различных типов структур ТС.

Настройка интеллектуальной среды АСТРЕЯ на предметную облает] вибрационных систем заключается в формировании баз данных и знани! гиперэлементов, конструктивных элементов, а также модели требований I ограничений к вибрационным системам. Для синтеза вибрационных систеь используются воздействия энергетического и информационного типа. Описат

вариант классификации энергетических потоков, в котором акцентируются виды энергетических воздействий, характерные для структур вибрационных систем. Для каждого листа дерева энергетических воздействий термы лингвистической переменной " интенсивность" определены словесно ("инфранизкая", "низка"", 'средняя", "высокая", "ультравысокая") и (или) указанием конкретного интервала. Каждому терму соответствует вектор Физических "сличин с указанием диапазона их изменения в соответствующих единицах Например, листу с именем 'кинетическая энергия вращательного движения", соответствует терм "средняя" лингвистической переменной "интенсивность", которому, в свою Очередь, ¡»ответствует физическая величина "момент инерции". Информационные воздействия подразделяются на механические, термодинамические, электрические и магнитные. Каждому из них соответствует набор физических зе личин.

Модель требований и ограничений к вибрационным системам построена в »ответствии со следующим принципом классификации. Выделяются два основных класса критериев: критерии функциональной эффективности и сритерии экономической эффективности. Критерии функциональной эффективности подразделяются на подкласс, определяющий функциональные юзможности, и подкласс, определяющий динамические характеристики шорационных систем. Критерии экономической эффективности разделяются на жеплуатационные и технические показатели. В приложении приведена модель гребованнй и ограничений к синтезируемым вибрационным системам.

Описаны поэтапно синтез цепочной структуры пневматического шбровозбудителя на гипер уровне, синтез электромагнитный вибровозбудителя, тревовидные структуры лектромагнитного вибратора, генератора механических солебаний на основе гиперструктуры, имеющей несколько вакантных подсистем, :интез стр>тстуры с управляющим воздействием вибратор для уплотнения бетона, ¡ложной структуры пневматический вибровозбудитель, обеспечивающий то лучение пространственных колебаний, характеризующихся одновременно 1еличнной импульса и момента.

Рассмотрим синтез древовидной структу ры электромагнитного вибратора. Модель цели для синтеза древовидной структуры содержит не менее двух 1ходных или выходных воздействий. В данном случае, определены следующие кодные воздействия: потенциальная энергия переменного электрического поля и ютенциальная энергия постоянного магнитного поля; и выходное воздействие -:инетическая энергия колебаний.

Вакантная подсистема определяется как. потоковый функциональный мемент, осуществляющий преобразование входных воздействий (потенциальной >нерпш переменного электрического поля и потенциальной энергии постоянного магнитного поля) в выходное воздействие - кинетическую энергию колебаний.

Для вакантной подсистемы осуществляется синтез физической функциональной структуры. Так как синтезированные цепочные структуры не довлетворяют условию отсутствия разрывов, и модель цели содержит два входа I один выход, то синтезируется правостороннее дерево. Древовидная структура,

образована физическими эффектами, отображающим закон Ампера, закон Ома I эффектом возникновения магнитного поля.

Модель данных, описывающая синтезированную структуру, имеет вид структура:<тип; список элементарных систем; соединения; обратные 1 управляющие связи; разрывы; устойчивость структуры?-; тнп.:= <"пр.дерево"> список элементарных систем::=<уровень; к; <С>Э1 >, <ФЭ2>, <ФЭЗ>, <ФЭ4» уровень::=< "физич." >; к- числовое значение, равное количеству элементарны; систем в данной структуре (к=4);<ФЭ1>,<ФЭ2>,<ФЭЗ>,<ФЭ4> - снисо! идентификаторов элементарных систем (физических эффектов) соединения::=<матрица инцидентности^. Каждый элемент матрицы содержит тш соединения ("носледователы1о<;"1"параллслы1ос"1"пр.узел"1"лл'зел") и число равное, минимальному значению из степеней совместимости воздействий. Данна) структу ра ТС не содержит обратных и управляющих связей, а так же вакантны: подсистем, имеющих свободные входы и выходы. Устойчивость структуры числовое значение, характеризующее степень устойчивости структуры с точн зрения "прочности" нечетких связей равно 0.73. То есть, описанная структур: 'является достаточно устойчивой и может служить основой для синтеза КФС.

Рассмотрим аруьпуру, содержащую обратные связи, на пример« пневматического вибровозбудителя. обеспечивающий полученш пространственных колебаний, характеризующихся одновременно величиной импульса и момента. Модель цели: входной поток - кинетическая энергш постоянного потока сжатого воздуха, выход - кинетическая энергш колебательного дв иже1 шя.

информ. возд.

...........-*-.»(обьедине

-

кип. ЭН. ПОСТ. И1Н. эн. пульенр.

потока сжатого потока сж. возд. воздуха

Рис. I.

(преобра); \зование/~

На рнс. 1 приведен один нз вариантов гиперструктуры ТС (ПФС), удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к данной системе. В процессе синтеза дважды применена контекстная операция разбиения потока. В первом случае результатом операции является энергетическое и информационное воздействие. Энергетическое воздействие остается без изменения, а информационное воздействие принимает те значения нечетких чисел, которые характеризовали энергетический поток. Операция использовалась для организации обратных связей. Во втором случае, результатом операции явились два энергетических воздействия, отличающиеся термами лингвистической

еременной интенсивности, имеющими набор переменных, отличающийся от сходного нечеткими характеристиками. В результате синтеза физической и инструктивной структур, эффект, обеспечивающий прерывание потока сжатого оздуха, реализуется конструктивным элементом "прерыватель вход-выхгт, ■ пуекпые и выпускные отверстия"; эффект силового действия давления гализуегся конструктивным элементом " ппошень к; глого сечения, на оверхности которого пазы"; эффект изменения направления силы реализуемся инструктивным элементом "поршень, имеющий на внутренней поверхности тездо, подвижно установлен на штопке, выполненном в виде направляющей с интовой канавкой, соединен с ним с помощью фиксатора в виде шарика"; £фект вращательного действия силы реализуется конструктивным элементом " 5ердое тело, перемещающееся относительно оси, связанное с осью"; эффект Зъединепня силы и момента реализуется конструктивным элементом "твердое ;ло круглого сечения". Техническое решение описывается следующим редложением: "Пневматический вибровозбудитель, содержащий корпус с эрцевыми крышками, впу скными и выпускными отверстиями, расположенный в эрпусе поршень, разделяющий полость корпуса на камеры прямого и обратного эдов и имеющий на противоположных концах на цилиндрической поверхности эстонки в четверть окружности и продольный канал, а у торцевых крышек на {утренней поверхности корпуса выполнены диаметрально противоположно друг зугу выемки в половину окружности. "

В заключении приведены следующие основные выводы и :зультаты работы.

1. Разработана формальная система представления инженерных и физических мний, необходимых для решения задач структурного синтеза технических ютем. Определены объект и цель формализации. Рассмотрены концептуальные :новы формального описания технической системы и процедуры структурного штеза, состав и структура семантических катеюрий, определяющих ¡хническую систему как нечеткий семантически., граф. Определена структура и 1чественная интерпретация универсальных множеств входных и выходных «действий. Рассмотрено определение элементарных подсистем, отражающее эльшинство вариантов реальных функциональных элементов современных :хнических систем. .

2. Представлена синтаксическая модель синтеза структуры технической 1стемы на конкретном иерархическом уровне. Описаны типы соединения кментарных подсистем, позволяющие синтезировать многоуровневые руктуры, имеющие обратные связи. Определены нечеткие отношения, (растеризующие устойчивость технических систем в зависимости от типов единения подсистем в структуре. Реализована контекстная операция разбиения пока и метод перехода на следующий уровень иерархии описания технических ютем.

3. Описана логическая структура информационного обеспечения интеллектуальной программной среды и модели данных, реализующие построенные формализмы.

4. Разработано алгоритмическое обеспечение горизонтального синтеза для гиперструктур и функционально физической структур, обеспечивающее нечеткие соединения подсистем, включающее в себя синтез структур различного уровня сложности, формирование управляющих и обратных связей. Алгоритмически реализовал один из подходов к синтезу конструктивных функциональных структур.

5 Предложен алгоритм вертикального синтеза, реализующий переход между гиперструктурой, физической и конструктивной функциональной структурой, технической системы. Представлена архитектура интеллектульной программной срсды.

6. Построена синтакгико-семаптическая модель текстообразовання для описания структуры технических систем на ограниченном'естественном языке. Разработана информационная модель для описания тезауруса. Описана •постановка задачи и процедура морфологического синтеза словоформ. Приведена архитектура лингвистического процессора и особенности алгоритмизации тексгообразования.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Гришин В.А., Заболеева-Зотова A.B. Экспертная система поискового крнструирования технических устройств 1! Тезисы докладов Всесоюзной конференции"Конструкгорско-технологическая информатика, автоматизированное создание машин и технологий", МД989-С.55.

2.Камаев В.А., Гришин В.А., Заболеева-Зотова A.B. Принципы построения и инструментальные средства системы поискового конструирования // Мсжвуз. сб. научн. трудов "Методы и системы технической диагностики", Саратов, Изд-во Саратовского ун-та, 1989 - СЛ 08-112.

3. Камаев В.А., Гришин В.А., Заболеева-Зотова A.B. Экспертная система конструирования новых виброзащитных устройств // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Проблемы виброизоляции машин и приборов", Иркутск, 1989-С. 52.

4. Гришин В.А., Заболеева-Зотова A.B. Алгоритмическое и программное обеспечение экспертной системы поискового конструирования изделий машиностроения // Материалы Всесоюзного научно-технического совещания "Программное обеспечение новой информационной технологии", КалининД989-С. 178-180.

5. Гришин В.А., Заболеева-Зотова А.В Экспертная система, реализующая новую компьютерную технологию проектирования // Сб. резюмета на докладите Международна научна конференция "Приложение на компюгьрните технологии в производство", НРБ, Варна, 1989-С.6,28.

6. Гришин В.Л., Заболесаа-Зотопа А.В Экспертная система поискового 1Сгруирования технических устройств/ ВолгПИ - Волгоград, 1989.-14 е.- Деп. в НИТИ.Б.У. ВИНИТИ, №7. б'о 174,1989.

7. Гришин В.А., Заболесва-Зотова А.В Формализация знаний. для пергной системы поддержки изобретательской деятельности/ ВолгПИ -тгоград, 1990.-19 е.- Деп. в ВИНИТИ,Б.У. ВИНИ^Т, №3, б/о : 29,1990.

8. Гришин В.А., Заболеева-Зотова А.В Интеллектуальная система уктурного синтеза физически неоднородных технических устройств // тсриалы Всесоюзного научно-технического совещания "Интеллектуальные темы в задачах проектирования, планирования и управления в условиях олноты информации", Казань, 1990-С.31-35.

9. Заболеева-Зотова А.В Представление знаний в экспертной системе уктурпого синтеза технических устройств // Тезисы докладов Всесоюзного чио-пракшческого семинара "Интеллектуальное программное обеспечение \Г, Ростов-на- Дону - Терскол,1990-С.41-42.

10. Гришин В.А., Заболесва-Зотова А.В Структурный синтез технических тем/ Волгоград, гос. техн. ун-т - Волгмрад, 1994.-19 е.- Деп. в ВИНИТИ,Б.У. ¡ШТИ, №6, б'о 201,1994.

П. Сальникова Н.А.,Заболеева-Зотова А.В. Разработка структуры 1мализованного описания технических устройств в системах поискового сгруирования/ Волгоград, гос. техн. ун-т - Волгоград, 1994.-14 е.- Деп. в ШТИ.Б.У. ВИНИТИ, №12, б/О 135,1994.

12. Заболеева-Зотова А.В. Структурный синтез сложных технических гем: формализация и алгоритмы / Волгоград, гос. техн. ун-т - Волгоград, 1995.--Ден. в ВИНИТИ, № 1487-В95.