автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Концептуальное проектирование функциональных подсистем автомобилей на основе эвристических классификаций

На правах рукописи

005057173

Хорычев Артём Александрович

КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ АВТОМОБИЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЭВРИСТИЧЕСКИХ КЛАССИФИКАЦИЙ

05.13.12 «Системы автоматизации проектирования (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 з ДЕК 2012

Волгоград — 2012

005057179

Диссертация выполнена на кафедре «Системы автоматизированного проектирования и поискового конструирования» в Волгоградском государственном техническом университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Андрейчиков Александр Валентинович.

Официальные оппоненты: Воинов Борис Сергеевич,

доктор технических наук, профессор, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского;

Яковлев Алексей Андреевич, доктор технических наук, доцент, Волгоградский государственный технический университет, декан Машиностроительного факультета.

Ведущее предприятие ФГБОУ ВПО "Брянский государственный

технический университет".

Защита состоится «25» декабря 2012 г. в 1530 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.04 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект Ленина, д. 28, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета

Автореферат разослан "23" ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ' Водопьянов Валентин Иванович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Качество конструкторских разработок в значительной мере определяется эффективностью методов и инструментальных средств, используемых на начальных стадиях проектирования, на которых формируется функциональный и структурный облик будущих изделий при системном подходе.

На ранних стадиях проектирования прогнозируются перспективные рыночные ниши в результате многоаспектного анализа тенденций развития инноваций, реализуются творческие процедуры по синтезу новых технических решений, осуществляется многокритериальный выбор новых структур с учетом потребностей рынка.

Решение всего этого комплекса задач требует использования в проектной деятельности большого арсенала разнообразных информационных технологий, адаптированных к конкретным предметным областям.

В связи с этим актуальной является разработка предметно-ориентированных технологий, обеспечивающих комплексное использование различных методов и средств на стадии поискового проектирования сложных технических объектов и их подсистем.

Достаточно важным информационным ресурсом, активно используемым при проектировании новой техники, являются изобретения, хранящиеся в патентных базах данных различных стран мира. Эффективное использование этих информационных ресурсов для решения задач поискового проектирования невозможно без их предварительной смысловой обработки высококвалифицированными специалистами предметных областей с последующим использованием полученных в результате классифицирования исходной информации обобщенных систематизированных знаний в автоматизированных системах поддержки принятия проектных решений. В связи с этим представляется актуальной разработка функционально-структурных классификаций на основе анализа функционально однородных классов технических систем. Такие классификации открывают возможности для разработки широкого класса логических и математических моделей для представления и обработки знаний о множестве технических объектов. Эти модели являются основой подсистем САПР начальных стадий проектирования, предназначенных для решения задач прогнозирования перспективных направлений поиска конкурентоспособных решений, а также для синтеза эффективных конструкций.

Создание информационной технологии поискового проектирования, ряд модулей которой основан на функционально-структурных классификациях, отрабатывалась на подсистемах автомобилей, поскольку повышение уровня конкурентоспособности данной отрасли является чрезвычайно актуальной задачей при переходе России на инновационный путь развития.

Отсутствие в настоящее время в нашей стране информационных технологий поискового проектирования и прогнозирования новой техники, в которых использовались бы базы знаний, созданные с использованием функционально-структурных классификаций, подтверждает актуальность проводимого исследования.

Цель диссертационной работы - сокращение сроков и повышение эффективности концептуального проектирования, формализация выбора прототипа на стадии предпро-ектных исследований.

Задачи работы

1. Проанализировать и систематизировать известные подходы, методы и программные средства для решения задач проектирования определяющих узлов легковых автомобилей: кузовов и их виброзащитных систем (ВЗС).

2. Разработать методику, алгоритмы и процедуры концептуального проектирования подсистем легковых автомобилей на основе функционально-структурных классификаций.

3. Разработать методику формирования прогностических моделей для поиска новых технических решений рассматриваемых подсистем автомобилей.

4. Провести проверку работоспособности и эффективности использования предлагаемых алгоритмов и методик.

Автор выражает благодарного за научное консультирование Заслуженному работнику Высшей школы РФ, д.т.н., профессору кафедры "Автомобили и тракторы" НГТУ им. P.E. Алексеева Кравцу Владиславу Николаевичу

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы системного анализа и поискового проектирования, в том числе эвристического метода синтеза, морфологического анализа и синтеза, кластерного анализа, многокритериального формирования целевых функций.

Научная новизна исследования заключается:

- в функциональной, структурной и функционально-структурной классификациях кузовов и легковых автомобилей;

- в методике формирования баз знаний и данных на примере ВЗУ и кузовов;

- в методике автоматизированной систематизации технических решений и формирования прогностических моделей для поиска новых технических решений при проектировании;

- в исследовательских сценариях для формирования прогностических моделей.

Пракгаческао значимость н использование результатов работы. Разработанные

теоретические вопросы создания информационной технологии поискового проектирования исследуемых подсистем автомобилей позволяют:

- проводить автоматизированный мониторинг динамично развивающейся отрасли автомобилестроения;

- получать новые знания о строении и тенденциях развития рассматриваемых подсистем различных классов автомобилей;

- научно обоснованно планировать разработку конкурентоспособных и патентоспособных технических решений кузовов и ВЗС легковых автомобилей;

- модернизировать применяющиеся в конструкторских бюро подходы поискового проектирования автомобилей;

- создать новые учебно-методические средства для подготовки конкурентоспособных специалистов и студентов ВУЗов.

1) Использование в автомобилестроении

- Классификации кузовов и легковых автомобилей (в том числе как методические средства) используются в УКЭР ОАО «ГАЗ» для предпроектных исследований на начальных стадиях проектирования (имеется Акт о внедрении).

- Результаты статистических и расчетно-экспериментальных исследований системы «кузов-стекло ветрового окна», полученные в соответствии с разработанным автором алгоритмом поиска причин саморазрушения СВО автомобилей «ГАЗель» и «Соболь», использованы при корректировке конструкторской документации на автомобили «ГАЗель» и «Соболь» (Акт о внедрении), а также при разработке конструкторской документации на кузовные подгруппы свегоболотохода «Бобр» (Акт о внедрении).

2) Использование в учебном процессе

В 2008 году автор диссертации совместно с д.т.н., профессором кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ В.Н. Кравцом издал учебное пособие «Классификация транспортных средств», допущенное УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспоргно-технологических комплексов для студентов, обучающихся по специальности 190201 (150100) Автомобиле- и тракторостроение.

Автором диссертации в соавторстве с к.т.н. А. Р. Герасимовым и старшим преподавателем Р. К. Акашевым в 2003 году подготовлено и издано учебное пособие для студентов специальностей 170900, 101200,150200,150100 «Теория надежности автомобиля, его агрегатов, систем и узлов».

Данные учебные пособия и электронная «Иллюстрированная база данных конструкций и дизайна автомобилей» используются в учебном процессе НГТУ им. Р.Е, Алексеева (2 Акта о внедрении), а учебное пособие «Классификация транспортных средств» также в ФГБОУ ВПО «Московская государственная художественно-промышленная академия им. С. Г. Строганова» (Акт о внедрении).

Акты о внедрении результатов научно-методической работы автора приведены в Приложении А к диссертации.

Достоверность п обоснованность полученных результатов. Достоверность и обоснованность полученных результатов основывается на применении научных методов системного анализа, а также ЭВМ и поверенного исследовательского оборудования, применяющихся в лабораториях ОАО «ГАЗ», и подтверждается практикой использования разработанных методик и результатов работы на крупном промышленном предприятии -в УКЭР ОАО «ГАЗ».

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:

- «Проблемы проектирования, испытаний, эксплуатации и маркетинга автотракторной техники, двигателей внутреннего сгорания, строительно-дорожных машин, транс-портно-технологических комплексов и вездеходов». Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет (НГТУ), 2000 г.;

- «Будущее технической науки Нижегородского региона. Региональный молодежный научно-технический форум». Нижний Новгород, НГТУ, 2002 г.;

- «Приоритеты развитая отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». XXXIX Международная научно-техническая конференция Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ). Москва, Московский государственный технический университет «Московский автомеханический институт» (Ml "ГУ «МАМИ»), 2002 г.;

- «Информационные технологии в образовании, технике и медицине». Международная научно-техническая конференция. Волгоград, Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ), 2002 г.;

- «Будущее технической науки нижегородского региона». II Региональная молодежная научно-техническая конференция. Нижний Новгород, НГТУ, 2003 г.;

- «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». 49-я Международная научно-техническая конференция ААИ. Москва, МГТУ «МАМИ», 2005 г.;

- «Проектирование колесных машин». Научный семинар, посвященный 70-летию кафедры «Колесные машины» МГТУ им. Н. Э. Баумана. Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н. Э. Баумана), 2006 г.;

- «Будущее технической науки нижегородского региона». V региональная молодежная научно-техническая конференция. Нижний Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева, 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа, в том числе:

- 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК [1-5];

- 2 патента РФ на изобретения [6, 7] (получены в рамках ФЦП «Национальная технологическая база» на 2007-2011 гг.);

- 2 монографии [8,9];

- 2 учебных пособия [10,11];

- 3 научно-технических отчета [29-31];

- 17 тезисов докладов на Международных и региональных научно-технических конференциях и семинарах [12-28].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, основных результатов и выводов по работе и списка литературы (255 наименований) и содержит 190 страниц текста. Диссертация включает 39 формул, 31 таблицу, 68 рисунков и 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основная задача работы с входящими подзадачами, охарактеризованы научная новизна и практическая ценность результатов исследования.

В Первой главе приведен обзор работ в области системного проектирования и характеристика исследуемого класса технических объектов.

Рассмотрены и обобщены работы авторов АЛ. Половиюсина, ДА. Поспелова, В. Хубки, В. М. Одрипа, W. Beitz, A.D. Hall, Ф. Ханзена, Дж. ЬС Джонса, Г. Альтшулпера, R. Koller, К. Рота, Р. П. Повилейко, А. М. Дворянхина, Б. С. Воинова, В. А. Камаева, A.A. Яковлева, В. М. Капустина, И. Мюллера, В. В. Дружинина, М. Г. Карпунива, а также работы в области теории и конструкции автомобиля авторов А. И. Грищкевича, В. А. Петрова, Г. А. Смирнова, А. С. Литвинова, Я. Е. Фаробина, Ю. Г. Колосова, В. П. Соловьева, И. М. Костина, Н. Т. Катанаева, Р. В. Ротенберга, В. Н. Кравца и В. Ф. Васильченкова.

В главе рассматриваются существующие методы и программные средства для решения задач поискового проектирования кузовов и ВЗС легковых автомобилей. Разработана авторская классификация источников информации в данной области.

Аналитический обзор работ показал, что в настоящее время в теории конструирования рассматриваемых подсистем автомобилей отсутствуют информационные технологии поискового проектирования, основанные на закономерностях их строения и развития.

На начальных стадиях проектирования кузовов и ВЗС автомобилей не используются системно банки данных изобретений и базы знаний специалистов в области автомобилестроения, что усложняет и замедляет внедрение инновационных конструкций и технологий. Это обстоятельство существенно замедляет интеграцию опыта, накопленного в масштабах предприятия и отрасли в целом, в проектные решения конкурентоспособных образцов новой техники, ее узлов и систем.

В арсенале отечественных проектировщиков автомобилей в настоящее время отсутствуют инструментальные программные средства для поддержки процедур стратегического прогнозирования перспективных инновационных решений в конструкции автомобилей. Появление таких средств повысит эффективность труда проектировщиков и сократит затраты времени путем обеспечения их доступа к актуальным базам данных в режиме реального времени и возможностью их систематизации и частичной автоматизации поиска новых технических решений.

Необходимо отметить, что за рубежом, в частности, в Японии, Китае, Корейской республике и США за последние 5 лег активно патентуются алгоритмы, методы и средства создания новых технических объектов на уровне изобретений.

Вторая глава посвящена разработке теоретических вопросов поискового проектирования рассматриваемых подсистем автомобилей.

Разработаны функционально-структурные классификации автомобилей и их подсистем, как взаимосвязанные элементы проектных процедур для синтеза новых технических решений. На основе обобщения функционально-структурных классификаций разработан процессный подход проектирования автомобилей на начальных этапах, схема применения которого показана на рисунке 1.

Маркетинговые исследования

Выбор автомобиля-аналога, пользующегося спросом_

| Поиск автомобилей-аналогов по электронным базам данных

Выбор прототипа для проектирования

Использование трансформационного метода синтеза конструкции автомобиля

—3—и»-

Разработка ТЗ на проектирование нового автомобиля трансформационным методом

жцим

автомобиля

Стадии и этапы ЖЦ автомобиля

Техниче-

ское пред-

ложение,

ЖЦ эскизный

им проект

автомо-

биля Техниче-

ский

проект

Рабочий

проект

Разработка ТЗ на проектирование автомобиля комбинаторным методом

- Структура теории А

- Классификация А Базы данных А

I Обобщенная схема функциониро-Твания А

| Основной закон функционирова-| ния А

- Классификатор П-Ф А

- Обобщенная структура А

- Основной закон строения А ~ Морфологическая матрица А

Законы функционирования,

строения, ЖЦ, развития А

Стадии и этапы ЖЦ автомобиля

Теория, методы, методики. Программное обеспечение расчетов функционирования и конструкции А

Рисунок 1 - Схема к проектированию автомобиля на начальных этапах

Разработаны классификации кузовов и легковых автомобилей (ЛА). Классификация кузовов автомобилей проводилась на основании обобщенных данных о 2000 серийных моделей ЛА, которые отражают около шестидесяти видов автомобилей, отличающихся комбинациями потребительских свойств. При этом принимались во внимание европейская, североамериканская и японская классификации автомобилей. Поскольку европейская классификация ЛА и существующая классификация их кузовов были признаны недостаточно совершенными для создания функционально-структурной классификации, они были дополнены, уточнены и конкретизированы.

Предложенные классификации ЛА и их кузовов разрабатывались совместно, поэтому появилась возможность включить в них всю гамму выпускаемых ЛА, а, опираясь на законодательные требования, ввести границы классификации ЛА. В классификацию включены также концептуальные модели, что позволило внести конкретику и точность в классификацию кузовов ЛА и предложить их морфологическую классификацию.

Существующая европейская классификация ЛА по длине включает 5 размерных классов (А-Р), находящихся в диапазоне от 0 м до бесконечности, не имеет единого шага, а классы Е ж Р, »роме того, частично перекрываются.

Всех этих недостатков лишена модернизированная размерная классификация ЛА, представленная на рисунке 2, имеющая обоснованные границы 2...11.9 м и единый шаг, равный 0,3 м. Кроме того, насколько это возможно, обеспечена преемственность с действующей классификацией ЛА, что потребовало введения классов У-2 перед классом А.

классы:

У

О

2

В

о

К 1..иМ:11

•е-

Ьг, м I... 11,9

Рисунок 2 - Предлагаемый вариант расширения европейской классификации ЛА, включающий микроавтомобили, фаэтоны, родстеры, компакт-, микро- и минивэны, вседорожники и пикапы

Впервые предложена одномерная классификация ЛА и вседорожников по удельной массе (рисунок 3). В ней автомобили первых классов (ближе к А) обладают лучшими динамическими характеристиками, а автомобили последних классов (вплоть до Р) - худшими, поскольку это преимущественно грузовые (фургоны, пикапы) или грузопассажирские автомобили на легковых шасси. Автомобилей с показателем удельной массы свыше 30 кг/кВт в производственной линейке мировых автопроизводителей по состоянию на 2004-2005 модельный год не было.

АБС Э Е Р в Н I К Ь М N О Р

<—>

<—>

>

<—>

>

<—>

<—>

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

кг/кВт

Рисунок 3 - Вариант одномерной классификации ЛА и вседорожников по удельной массе

Предложены авторские варианта морфологических классификаций кузовов легковых автомобилей (таблица 1) и легковых автомобилей (таблица 2). Разработаны модели представления знаний о функционально-структурном строении исследуемого класса технических объектов на базе морфологии, которые формируют основу базы знаний системы морфологического синтеза и прогнозирования новых технических решений.

Для описания множества технических решений автором проанализировано более 2000 различных моделей автомобилей и описаний патентов по различным их подсистемам, что позволило разработать рад альтернативных систематик дня решения задач поискового характера.

Таблица 1 - Варианты сочетаний базовых типов кузовов с отличительными признаками

ЧО

Однообъемный кузов

Обозначения в таблице 1:

С - вариант существует; К - существует на концептах;

■ вариант невозможен;

- вариант возможен, но не существует.

"И

о 3

# 2

и 4» К

я а.

а а

Н 2

б) Пикап двухрядный

Родстер («спайдер»)

а) Лимузин

б) Пульман-лимузин

а) Пикап однорядный

8 а) Фургон однорядный

б) Фургон двухрядный

Полутора-объемные кузова:

компактвэн

микровэн

минивэн

Конструкция крыши:_

Отличительные признаки

Базовые типы кузовов

Хэтчбек

Седан

Универсал

Таблица 2 - Распределение легковых автомобилей по классам удельной массы, типам кузовов и размерным классам (фрагмент)

_3[д^масса(кг/кВт] Тип кузова ~— А (0-1.99) (2-3.99) (4-5.99) (6-7.99) (8-9.99) (10-11«») в (12-1359) н (14-1559) I (16-1759) К (18-19595 1 (20-21,99) М (гизда N 01-2559) р (28-30)

Седан 1Е 2Б 4Е 4Р 121) 5Е 1№ 1Н 1С 26Е 38Е 201 2й 4С 40Б 45Е 22¥ ЮХН 1В 12С 480 36Е 4Р1Н Ш 19С 420 14Е 2В 9С 200 10Е 2В 6С 704Е ЗВ 5С 301Е 2В6С 2В2С

Универсал 1А 1В 1С 20 Ш 4А ЗС 5й 11Е 2А 4В 5с 1т 19Е 1И 9А 6В 17С 200 12Е 1Б 1Ъ 8А 11В 21С г2Э9Е IX 12 11А 7В 19С 100 6Е IX IX 9 А 9В 6С80 12А9В 4С 2П 1Е 2А 3В 5С т 1Е 2А 1В 1С т т

Универсал вседорожный 2Е т 1Е 2И Ю2Е

Хэтчбек 1С2Е 1С 30 1Е2В 6В 10С 1Ю 11Е Я ♦В 16С 200 10Е 2Р 1А7В 24С350 20ЕIV 10В 25С 22й9Е 1А 6В 13С 18Б 7Е 6В 8С 701Е 6В 4С 401Е 2В 5С т ЗС20

Купе (купе- родстер, купе-тарга) 4С 50 1Е 5С 13Б 6Е ?А 1В 1С 80 ТЕ 1А 2С 50 5Е № 2С 5В ЗЕ2Б 2С 8Ю 4Е 1С20

Родстер, «торпедо» 1СЗО 3 Ъ 1А 6В 2С 80 1А 4В 5ст 1А 7В 1С 1Е 12 7В 1С гх 2в 1С 1А 72

Третья глава посвящена разработке методики формирования баз знаний и данных для систематизации и прогнозирования новых технических решений автомобилей и их подсистем.

База знаний разработанной поисковой системы поддержки принятия проектных решений концептуально представлена в виде пирамидальной стратифицированной структуры (рисунок 4).

Рисунок 4 - Пирамидальная стратифицированная структура базы знаний поисковой системы для систематизации и прогнозирования новых технических решений автомобилей и их подсистем

Разработка базы знаний интеллеиуальной информационной системы (экспертной системы) осуществлялась от основания к вершине пирамиды.

Самый нижний, первый уровень пирамиды, образуют общеизвестные знания, которые извлекаются из специальной научно-технической литературы по проектированию новой техники, физическим эффектам и явлениям, патентных источников. Это знания:

- о принципах многоуровневого иерархического описания технических систем (1.1);

- физических эффектах и явлениях (1.2);

- структуре и принципах функционирования технических систем (1.3);

-об общих закономерностях строения и развития техники (1.4); .

- об информационной модели внешней среды функционирования технических систем, включающей факторы взаимодействия последней с технической, физической, биологической средой, человеком и обществом в целом (1.5).

На втором уровне пирамиды структурируются знания, описывающие единичные технические системы, каждая из которых отображается функциональной структурой (2.1), техническим принципом действия (2.2) и физическим принципом действия (2.3). В основе функциональных структур лежит понятие функции технической системы, которая формально описывается в виде трех компонент: действия, производимого технической системой (В); объекта, на который направлено действие (й); особых условий и ограничений (Н).

Технический принцип действия представляется конструктивными и функциональными признаками в виде иерархического графа, вершины которого описывают иерархическую «»подчиненность элементов и направление действия функций.

Физический принцип действия технической системы представляется иерархической или сетевой моделью. При иерархическом представлении вершинами графа являются физические эффекты, на основе которых функционируют конструктивные элементы или техническая система в целом. Дуги графа в этом случае указывают иерархическую сопод-чиненность между функциями. При сетевом представлении вершинами являются физические эффекты, а душ указывают входные и выходные потоки энергии, вещества (материальных объектов) или сигналов (информации).

Третий уровень пирамиды образован на основе обобщения знаний второго уровня и представлен обобщенными функциональной (3.1) и конструктивной (3.2) обобщенными схемами рассматриваемого в диссертации класса технических объектов. Здесь обобщенные схемы представлены "и-или"-графами. Вершины графа типа «и» объединяют различные основания деления понятий (признаки), характеризующие один объект в различных аспектах. Вершины типа «или» объединяют значения признаков, т.е. альтернативы одного деления понятия. Фрагмент функциональной модели класса виброзащитных систем подвесок автомобилей приведен на рисунке 5.

Внутренние основные действия

Особые условия и ограничения на внутренние основные действия

вщрс&ллуолой I

И \Тгр\ТАЯ К

{ демпфирующая К

1 упругодеьпфирующая Ь

| терцнмш |

1) поглощающая |

мдрвбочА характерней«»

вид рабочей тарактерщггаки

вод рабочей даракгсристдси

или

-о—

ДН(ЙНМ I

или I лчейная | 1 ненигейная |

ясяесйноста

иаткПна« |

Величине силы ю ходе схатя юн отбоя

&С7,

«А-

37

над 1 неомеЯносга |

6£>.

нж< >— М,

ИЯ | недкейности |

Ч или ■ж

¡7

и,

и,

^ X

Рисунок 5 - Функциональная схема класса ВЗС (фрагмент)

На четвертом уровне на основе функционально-структурной систематики была разработана семантическая сеть (4.1), которая позволяет реализовать удобный диалоговый интерфейс между поисковой системой и ее пользователями. Семантическая сеть, представляющая модель представления знаний, позволяет использовать множество причинно-следственных отношений, указывающих последовательность шагов исследователю, формирующему в диалоговом режиме с поисковой системой различные предписания (технические задания) на поиск необходимых описаний технических решений (изобретений) в базе данных. Причинно-следственные отношения представлены простейшими продукционными правилами типа «если выбрано значение признака 5Г, то следовать на признак П». Формирование продукционной модели проводилось автором и группой высококвалифицированных специалистов в области проектирования различных подсистем автомобилей.

На пятом уровне пирамиды формируются значения, полученные в результате исследований, проведенных проектировщиком, проводившим изучение с различных точек зрения баз данных технических решений автомобилей и их подсистем.

Основными результатами работы поисковой системы являются: множество прогностических систематик (5.1) исследуемого класса, сформированных с различной степенью конкретизации функциональных и конструктивных признаков, а так$ее морфологические таблицы (5.2), формируемые в результате анализа нескольких классов технических систем, отличающихся функциональным назначением.

Пополнение экспертной системы новыми знаниями осуществляется по двум направлениям. Знания, расположенные в стратифицированной пирамиде от первого до четвертого уровня, пополняются в основном инженерами по знаниям и специалистами в области проектирования подсистем автомобилей. Знания, отнесенные к пятому уровню пирамиды, пополняются в результате решения в автоматизированном режиме конкретных задач, связанных с систематизацией, прогнозированием и синтезом новых рациональных технических систем для различных научно-исследовательских и проектных ситуаций.

В четвертой главе приведено описание разработанной автором автоматизированной системы систематизации технических решений рассматриваемых подсистем автомобилей.

Для выявления обобщенных классификационных признаков, характеризующих функциональные или структурные свойства, подмножества технических решений анализируются на предмет выявления отношений мер сходства и иерархии.

Отношение сходства определяется следующим образом:

5) = ОД 5Уы ¿А], (1)

гдек еЯ (/-множество исследуемых объектов);

(5д, 5) - отношение сходства объектов 5д и Я;

Sj.Sk- множества значений функциональных и конструктивных признаков, описывающих сравниваемые технические решения;

Сф, ву - мера сходства;

-1 <и£со;

Д - некоторое произвольное число (0 £Л ¿1,0).

Отношение иерархии определяется следующим образом. Если множество Н® образовано соединением некоторых классов из множества й®, то /• /2® сюръективно: каждому элементу множества //'■'соответствует хотя бы один элемент из множества /Л То обстоятельство, что класс Я® является классом более широким, чем Я®. отображается через отношение иерархии Я следующим образом: /^Я/^Скласс //^подчиняет класс НО).

Ниже приведены обобщенные алгоритмы классификационных построений, использованные в системе автоматизации поискового проектирования.

Алгоритм построения матриц отношений сходства

Шаг 1. Формируется два множества: множество исследуемых объектов •/=/!?/, 5л... и множество признаков 2={2и ... 2Р}. Каждый объект 5/ описывается подмножеством признаков {2являющимся качественным признаковым образом.

Шаг 2. Генерируются все парные сочетания объектов, и для каждой пары 5/ и $ строится индексная матрица [В], на основе которой рассчитываются меры сходства С(¿у.

Шаг 3. Строится матрица мер сходства [С].

Шаг 4. Задается отношение сходства <Сд, I).

Шаг 5. Для заданного значения А строится матрица сходства /Сд/, в которой все значения, большие или равные А, заменяются единицами, а оставшиеся - нулями. Для наглядности матрица /Сд/ отображается в виде графа отношений сходства.

Шаг 6. Последовательно перебирается несколько значений Д для установления всех существенных связей между анализируемыми техническими решениями.

Шаг 7. Проводится выявление и формулирование обобщенных классификационных признаков, характеризующих выделенные на предыдущем шаге классы технических решений.

Шаг 8, Отобранные на предыдущем шаге обобщенные классификационные признаки включаются в семантическую сеть системы поискового проектирования.

Алгоритм построения иерархической классификации

Шаг 1. Определяются два множества: множество исследуемых объектов £?,... 5у и множество признаков Z=/Z;, 22,... 2р). Формируются индексированные множества по каждому объекту. Осуществляется построение матрицы сходства [С].

Шаг 2. Просматриваются все элементы матрицы [С], расположенные выше главной диагонали. Определяется и отмечается элемент, имеющий максимальное значение меры сходства С(3Ь ¿¡у^и (данный элемент не принадлежит к элементам главной диагонали). Если в матрице [С] более одного элемента с одинаковым максимальным значением, то отбирается и отмечается любой из них.

Шаг 3. Определяются номера/-Й строки и к-то столбца, на пересечении которых расположен отмеченный на предыдущем шаге элемент. Из матрицы [С] извлекаются все значения, соответствующие у'-й строке и Л-му столбцу, из которых формируется два массива значений мер сходства (два класса: Щ и Щ.

Шаг 4. Определяется мера сходства классов в (Н], Щ одним из методов, описываемых обобщенной формулой:

в(Ц,Щ=аи 0(Н],Щ +а, в(Ну,Щ + №(Ни,Щ+ч[а(Ц,Н^-0(Н},Щ], (2)

где в (Ну, Щ - мера сходства классов Ну и #*= {Н„,Щ}.

Параметры <х„, а/, (3, V задают вид процесса (метод):

- минимальных значений: а„ = а; = 0,5; Р = О, V = -0,5;

- максимальных значений: сь = а; = 0,5; р = 0, V = 0,5;

- медиана: а* = а/ = 0,5; Р = V = 0;

- среднее группы: а* = г^/щ; а/= щ/щ; р = V = 0;

- центроцдный метод: а» = пи/щ\ щ = гц/щ; р = -а„ щ, у = 0;

- метод Уорда: а* = (пу+п^/(пу+п^; а,** (пу+ п$/(пу + гц); р=-и/^+п^; у=0,

здесь пи, л*- число объектов соответственно и-го и к-то классов; пь-пи+щ

Полученный массив данных вписывается на место _/-й и к-& строк и j-гo и к-то столбцов вновь формируемой матрицы сходства [Су,*].

На данном шаге запоминаются значения индексов вновь образованного класса (Ну,0 и меры сходства, при которой этот класс образовался.

Шаг 5. Процедура обработки матрицы сходства /"Сд/ вновь начинается с шага 2. Итерационный процесс продолжается до тех пор, пока размерность матрицы сходства уменьшится до порядка п=2. На этом процесс построения иерархической классификации (построение дендрограммы) заканчивается.

Результатом работы алгоритма являются перечень индексов классов в том порядке, в котором они объединялись в новые классы, а также уровни сходства, на которых это объединение происходило.

Данный алгоритм позволяет выделить классы со сходными по функциональным и конструктивным признакам техническими решениями. Интерпретация полученных результатов позволяет, с одной стороны, выявить и сформулировать новые обобщенные классификационные признаки для использования в семантической сета автоматизированной системы поискового проектирования, и, с другой стороны, организовать процедуры проектирования новых технических решений по аналогии.

На рисунках 6 и 7 приведены схема декомпозиции функций автоматизированной системы и структура ее базы данных.

Программное обеспечение автоматизированной системы систематизации знаний и данных об автомобилях и их подсистемах реализовано в соответствии с «М-технологией», технологиями объекгао-ориеятированного проектирования, событийно-управляемого интерфейса.

Автоматизированная система оценки и систематизации вкброзалданых устройств

Ведение основных информационных массивов

Работа со списком значений признаков

Работа с семантической сетью

Сеанс работы

Конфигурация

Просмотр, создание, удаление вершины

Запись конфигурации

Формирование запроса к поиск

О предел, параметров

Прямой отбор

Поиск по запросу

Формир. запроса

Формирование запроса, поиск и выбор ТР

Работа с выборами текущей вершины

Диалог

Просмотр, удаление, создание» ред. выборе

Установка перехода

Выполнение перехода

1

Без оценки класт.

Прямым отбором

- Работав »просо* _

С оценкой класт.

Выбор критериев

Ведение технически* решений

- Значимость Крите р.

Метод ПС

Просмотр, удаление, спчпянме пел

Работа с поисковым образом текущего ТР

Метод стандарта

Используя семант. сеть

Запись запроса

Исключение значения признака

Иэм. статус, знач.

признака (обязатУнеобязат.)

Просмотр, включение, исключен«« зн. признака

Просмотр к выбор зн. признаков

Предоставление маршрута диалог«

Ведение списка критериев оценки

Ведение экспертных оценок

—Выбор кр1ггерия

Выбор и включение в запрос зн. призн. текущей вершины и переход на сл. вершину

Предоставление значений признаков текущей вершины для выбора

— Выбор вершины

Проведение оценки кластеров, опргяел. вершиной сем. сети

Без оценки по критериям

С оценкой по критериям

Выбор ТР методом принятия решений

Определение структуры цели

Опред. набора критериев

Выбор БД

Исключение из набора

Опр. значимости критериев

Метод стандартов

Доопределение иерархии

Опред. набора дльтепнятия

Выбор ТР кз

БД

Выбор найденных процедурой поиска

Исхл. из набооа альт.

Про вед. оценки по кокгеоиям

Метод стандартов

Метод стандартов

Расчет предпочтения __

альтеонсгав относительно цели

Сокращения: «класт.» - кластер, «семавт.» - семантическая, «зн. призн.» - значение признака, «метод ПС» - метод парных сравнений, «ред.» - редактирование, ТР - техническое решение, БД - база данных

Рисунок 6 - Схема декомпозиции функций автоматизированной системы (фрагмент)

^ Стр>гп|К1Йа»1ла>ичц%а»10иа1и »1р»ч»1ши1 смсчсмы ]

при ВШИ»

Значения.' прнжака ■ опросе

Атрм&т обшпельный и

| 1иа'к.нчч иршнасои | | Ба-я данных ТР | £

Ссшилгксва с«

I катмкнанпс

□

ТсЧНИЧеСКК рСШСН!«.'

К.шссиф ми. | | Страна

1С

Описание решат«

Нчобраадиис решении

Чиаченнс шнпмака

Маршрут парных сравнит ¡¡1 ТР

ЭлечеНТ строки МЗТ]Н1ШД Оискю 1ФСЛП0ЧТСЖ1Я

СЕР

Наименование виборо

Опенка по критерию

Относительные

критерии»! и матрицы парных с рг вмети)

кластеров ТР

Значение перехода

Интегральна* опеке кластера

Опенка предпочтения

Конфигурация пользователя Номер | | Наивном*»к

1 )Прямой «бор 1 I 2Шп&мгнаа.-м.«ти

О иена квегерзд ТР

ЦНе всполь-юват» II 2Н1сп0льк1Ытъ

] [

СПИСОК вЛдеиних ТР

Тип: вершина н/ш ма-инж п

Номер (вами ни ы или зиачення исмгл1>

Шкмсномние (вершины ми зи.1г*» >

Тоническое решение

Значимость притер и»

Вычисленная ошша

Оценка предпочтении 1 ] || |* Значение |

Оилиа предпочтений ТР Зшчичюсть критерия

| Номер || Наименование | | Номер Л Наименование |

| Вычислим* оценка [ | Вычислении оценка |

Отоапелна* «ад каТР по критерию Оценю преллочтенн*

| Номер критерия | | Номер сравнит крит. |

| Здоинис ^ | Значение |

|ели и матрниы гарнир сравнений

Условные обозначения:

Рисунок 7 - Структура базы данных автоматизированной системы

Пятая глава диссертации посвящена изложению методики формирования прогностических моделей для поиска новых технических решений.

Предложено шесть исследовательских сценариев для работы с поисковой системой: Первый сценарий используется при решении задач поиска в базе данных описаний аналогов и прототипов технических систем по функциональным и структурным признакам. Автоматизированный поиск в общем виде представляет процедуру пошагового усечения множества классификационных признаков и выделение соответствующего ему в базе данных множества описаний изобретений. Наглядно реализация первого сценария показана на рисунке 8.

Фрагмент структурой иерархической модели, являющейся частью систематики класса внброзиштньп систем

Рисунок 8 - Фрагмент структурной иерархической схемы, являющейся частью систематики класса виброзащитных систем

Поиск в базе данных описаний технических систем, релевантных поисковому предписанию, может осуществляться по усмотрению исследователя по различным критериям.

Степень релевантности между поисковым предписанием и поисковым образом технического решения, хранящегося в базе данных, определяется на основании меры сходства, которая в общем виде определяется формулой (3):

C(Sj, S0„=2m(SrSi}/(l +u)[m(Sj)+m(Sk)-2 и -mfSjnSk) (3),

где -1 <u¿°o;

m(Sj) - обозначение числа элементов множества S;

Sj, Sk - множества значений функциональных и конструктивных признаков, описывающих сравниваемые технические решения.

Мера сходства C(Sj, 5У имеет предел, возрастает с возрастанием близости объектов и обладает следующими свойствами:

1) 0 < C(S}, SO < 1 для к

2) C(SP S0=1;

3) C(Sj, Sy= C(Sb Sj)

В приведенных выше формулах (2) и (3) принята следующие обозначения: 5;, & -множество значений признаков текущего сравниваемого поискового образа описания технического решения, хранящегося в базе данных и поискового предписания, соответственно, а - пороговый коэффициент, задаваемый исследователем и устанавливающий значение необходимой доли совпадения значений признаков (0 < а < 1); т - мощность у'-го множества.

Мера сходства рассчитывается на основании бинарной матрицы [в]=|*91, где / = 1,

р; у = 1, 2, в которой р - число строк матрицы,]=2 - число столбцов матрицы, з(¡¿={0,1}. Столбцы матрицы представляют объединение значений признаков, принадлежащих текущему рассматриваемому поисковому образу технического решения и поисковому предписанию.

Для практических вычислений критериев релевантности Кр на основе матрицы [В] необходимо пользоваться следующими выражениями:

1-1 (-1

¡-1 1-1 (-1

где п — число значений признаков поискового предписания.

Второй сценарий используется дня поиска в базе данных рациональных технических решений по предварительно оцененному методом анализа иерархий признаковому образу (поисковому предписанию).

Поисковое предписание, состоящее из множества функциональных и конструктивных признаков, оптимизируется последовательно по нисходящему принципу от более общих признаков к частным. Отбор признаков в каждой вершине типа "ИЛИ" осуществляется с использованием системы принятия решений, основанной на методе анализа иерархий. В поисковое предписание включается значение глобального (интегрального) вектора приоритетов. Формирование требуемого набора критериев, построение иерархии критериев и экспертное оценивание проводится исследователем в каждой вершине «ИЛИ» с учетом конкретной решаемой задачи. Таким образом, в отличие от первого сценария, в данном случае поисковый образ (поисковое предписание) заранее не определен, а оптимизируется (формируется) в процессе решения задачи.

Третий сценарий предназначается для поиска рациональных технических решений, хранящихся в базе данных, по множеству критериев качества методами принятия решений.

Многокритериальный отбор в поисковое предписание признаков, объединенных в семантической сети вершинами «ИЛИ» и рациональных технических решений из базы данных осуществляется на основании решения матричного уравнения, которое имеет следующий общий вид:

ТГ,=[ИГь т, ...йу-Г; где 1Уи - искомый вектор приоритетов анализируемых альтернатив (классификационных признаков или технических решений);

IV;, }У2, ... Жп - векторы приоритетов альтернатив по критериям кь къ — кп соответственно;

IV'—вектор весовых коэффициентов критериев. Векторы приоритетов альтернатив по критериям Л, определяются двумя методами: либо нормированием численных значений стандартов, присваиваемых альтернативам по каждому критерию и вычислению правых собственных векторов для сформированных матриц парных сравнений на основании решения следующего матричного уравнения:

[А] ■Ш=Хт где [А]—матрица парных сравнений;

(V - правый собственный вектор матрицы [А];

Хтах - максимальное собственное значение матрицы [А].

Для положительной квадратной матрицы [А] правый собственный вектор ¡V, соответствующий максимальному собственному значению с точностью до последнего сомножителя вычисляется по следующей формуле:

где е = {1,1, ... 1}'; к~ 1, 2, 3, - показатель степени; с-константа; Г— знак транспонирования.

Вычисления Ф проводятся до достижения заданной точности:

где I - номер итерации, такой, что 1=1 соответствует к=1; 1-2 - к-2; 1-3 -к=3 и тд,;

4=0,01 - допустимая погрешность.

Четвертый сценарий обеспечивает построение в автоматизированном режиме прогнозирующих информационных моделей табличного типа, в которых наименованиями строк и столбцов являются наименования функциональных и структурных признаков соответственно. На пересечении строк и столбцов прогностических таблиц указываются существующие технические решения, извлеченные из базы данных, поисковые образы которых релевантны признакам, характеризующим соответствующие элементы прогнозирующей таблицы.

Пятый сценарий позволяет упорядочивать технические системы, извлекаемые из базы данных в виде эволюционных цепочек, что позволяет устанавливать закономерности развития классов, родов и видов технических систем.

Шестой сценарий предназначен для построения прогностических морфологических таблиц для решения задач синтеза.

С помощью разработанной поисковой системы был сформирован ряд прогнозирую- . щих систематик автомобилей и их подсистем.

Пример разработанной систематики ВЗС приведен на рисунке 9.

ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНАЯ ТАБЛИЦА ВИБРОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ Функция Конструкторские реализации виброизоляторов

^¡1 Торсионный Резиновый Комбинированный Пневматический

Р,

Р3

Б-

Р,

§ *

§ £

§

Ж

иЕ

ш

§ •

#

СГГЗ

I #

т

§ •

§ •

У 1(1

ж

§

ж

® •

м

§ •

#

§

§

§

Чса О!

§

м

§

- несимметричная характеристика;

- многоступенчатая; Р; - кусочно-линейная; /•У - частотно-зависимая;

- «проскок»

- регулируемая квазинулевая;

- скачкообразная;

Р6 - отрицательная жесткость;

- амплитудный «провал»;

Рисунок 9 - Фрагмент прогностической систематики для класса подвесок автомобиля

В ячейках систематики ВЗС автомобилей (см. рисунок 9) изображены типовые конструкции, характеризующие подмножество технических решений, попавшее в них из базы данных. В систематике обнаруживаются незаполненные ячейки («белые пятна»), сигнализирующие о неоткрытых инновационных решениях. В этом плане функционально-структурные таблицы позволяют, с одной стороны, выявить новые направления поиска технических решений с уникальными свойствами, а с другой - являются мощным генератором идей для их синтеза по аналогии с уже созданными решениями, занимающими соседние ячейки таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В данном диссертационном исследовании разработаны теоретические вопросы создания информационной технологии поискового проектирования рассматриваемых подсистем автомобилей на основе функционально-структурных классификаций. Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Проанализированы и систематизированы известные подходы, методы и программные средства для решения задач проектирования кузовов легковых автомобилей и их виброзащитных систем (ВЗС).

2. Разработана методика, алгоритмы и процедуры концептуального проектирования подсистем легковых автомобилей на основе функционально-структурных классификаций.

3. Разработана методика формирования прогностических моделей для поиска новых технических решений рассматриваемых подсистем автомобилей.

4. Проведена проверка работоспособности и эффективности использования предлагаемых алгоритмов и методик.

Положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах. Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК:

1 Хорычев, А. А. Вариант модернизации классификации легковых автомобилей [Текст] I А. А. Хорычев // Автомобильная промышленность № 5,2008. - М.: 2008. - С. 22-24.

2 Хорычев, А. А. Исследование напряженно-деформированного состояния системы «Кузов-стекло ветрового окна» автомобилей «Соболь» [Текст] / А. А. Хорычев, В. Н. Кравец // Известия вузов. Машиностроение. - М.: Машиностроение, № 12. - 2007. — С. 57-60.

3 Андрейчиков, А. В. Систематизация и прогнозирование развития инноваций на основе эвристических классификаций (на примере легковых автомобилей) [Текст] / А. В. Андрейчиков, А. А. Хорычев // Известия ВолгГТУ, серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатика в технических системах» — Волгоград, типография ВолгГТУ, 2011, №3, с. 38.

4 Андрейчиков, А. В. Экспертная система для прогнозирования стратегических инноваций [Текст] / А. В. Андрейчиков, А. А. Хорычев, О. Н. Андрейчикова // Качество. Инновации. Образование, 2011, №12.

5 Андрейчиков, А. В. Экспертная система для начальных стадий проектирования инноваций [Текст] / А. В. Андрейчиков, А, А. Хорычев, О. Н. Андрейчикова // Информационные технологии, 2012, №3, с. 26-32.

Патентные документы:

6 Чернышев, В. Н. Способ изготовления слоистой коррозионно-стойкой стали: патент РФ на изобретение № 2422282 [Текст] / В. Н. Чернышев, Л. М. Капупсина, А. А. Хорычев [и др.].

7 Чернышев, В. Н. Способ изготовления слоистой коррозионно-стойкой стали: патент РФ на изобретение № 2422283 [Текст] / В. Н. Чернышев, Л.М. Капуткина, А. А. Хоры-чев [и др.].

Монографии и учебные пособия:

8 Хорычев, А, А. Эвристическая классификация легковых автомобилей [Текст] / А. А. Хорычев - М.: Интермет инжиниринг, 2008. - 75 с.

9 Воронков, О. В. Новое в конструкции и проектировании автобусных кузовов [Текст] / О. В. Воронков, В. И. Песков, А. А. Хорычев - Н. Новгород, Нижегор. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева, 2009. - 186 е., ил.

10 Кравец, В. Н. Классификация транспортных средств [Текст] : Учеб. пособие для студентов вузов РФ по специальности «Автомобиле- и тракторостроение» / В. Н. Кравец, А. А. Хорычев - Н. Новгород, Нижегор. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева, 2008. - 96 с.

11 Акашев, Р. К. Теория надежности автомобиля, его агрегатов, систем и узлов [Текст] -Учеб. пособие для студентов специальностей 170900, 101200, 150200, 150100 / Р. К. Акашев, А. Р. Герасимов, А. А. Хорычев - Н. Новгород, НГТУ, 2003 г. - 93 с.

Статьи в других изданиях:

12 Кравец, В. Н. Системный подход к проектированию конкурентоспособных автомобилей [Текст] / В. Н. Кравец, А. А. Хорычев // Материалы международной научно-технической конференции. - Н. Новгород: Межвузовская типография ННГУ им. Н. И. Лобачевского, 2000. - С. 166 -168.

13 Хорычев, А. А. Вариант концепции легкового автомобиля с типом кузова "минивэн" для ОАО ТАЗ" [Текст] / А. А. Хорычев // Материалы международной научно-технической конференции. - Н. Новгород : Межвузовская типография ННГУ им. Н. И. Лобачевского, 2000. - С. 110 -112.

14 Хорычев, А. А. Минивэн на базе автомобиля ГАЗ - 3104 [Текст] / А. А. Хорычев // Тезисы докладов регионального молодежного научно-технического форума «Будущее технической науки Нижегородского региона». - Н. Новгород : НГТУ, 2002. - С. 250.

15 Кравец, В. Н. Актуальность преобразования современной теории автомобиля и направления такого преобразования с позиций системного подхода [Текст] / В. Н. Кравец, А. А. Хорычев // Приоритеты развития отечественного автотракторного машиностроения и подготовки инженерных и научных кадров. Тезисы докладов. - М.: Московский государственный технический университет «МАМИ», 2002. - С. 50-52.

16 Хорычев, А. А. Перспективные двигатели в автомобилестроении с позиций системного подхода [Текст] / А. А. Хорычев // Приоритеты развития отечественного автотракторного машиностроения и подготовки инженерных и научных кадров. Тезисы докладов. - М.: МГТУ «МАМИ», 2002. - С.

17 Круглое, И. А. Обзор современных программных средств проектирования и расчета технических систем с позиций системного подхода [Текст] / И. А. Круглов, А. А. Хорычев // Информационные технологии в образовании, технике и медицине. Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции. Часть 2. - Волгоград : РЖ «Политехник», 2002. - С. 114-118.

18 Хорычев, А. А, Основы системного подхода к проектированию автомобилей [Текст] / А. А. Хорычев, В. Н. Кравец // Вторая региональная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки нижегородского региона». Тезисы докладов. - Н. Новгород, НГТУ, 2003. - С. 135.

19 Хорычев, А. А. Основы теории конструкции автомобилей [Текст] / А. А. Хорычев // Вторая региональная молодежная научно-техническая конференция ((Будущее технической науки нижегородского региона». Тезисы докладов. - Н. Новгород, НГТУ, 2003. - С. 136.

20 Хорычев, А. А. Системные основы классификации кузовов легковых автомобилей [Текст] / А. А. Хорычев // Материалы 49-й Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». Секция 1. «Конструирование автомобилей, тракторов, их агрегатов и систем». Подсекция «Автомобили». Часть 3. - М. : МГТУ «МАМИ», 2005 г. - С. 35-43.

21 Хорычев, А. А. Актуальность и вариант развития действующей европейской классификации легковых автомобилей [Текст] / А. А. Хорычев, В. Н. Кравец // Материалы 49-й Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». Секция 1. «Конструирование автомобилей, тракторов, их агрегатов и систем». Подсекция «Автомобили». Часть 3. - М.: МГТУ «МАМИ», 2005 г. - С. 44-50.

22 Хорычев, Л. А. Исследование напряжено-деформированного состояния стекла ветрового окна в составе кузова автомобиля ГАЗ-2217 с позиций системного подхода [Текст] / А А. Хорычев // Материалы 49-й Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». Секция 4. ((Математические методы моделирования и оптимизации автотранспортных средств». Часть 3. - М.: МГТУ «МАМИ», 2005 г. — С. 33 - 36.

23 Хорычев, А. А. Состояние и перспективы российской автомобильной промышленности в преддверии вступления РФ в ВТО [Текст] / А. А. Хорычев // Материалы 49-й Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». Секция 12. «Экономика и управление российским автотракторостроением». Подсекция «Стратегическое развитие: маркетинг и менеджмент». - М.: МГТУ «МАМИ», 2005 г. - С.

24 Хорычев, А. А. Структура теории автомобиля и ее связь с объектами интеллектуально-промышленной собственности [Текст] / А. А. Хорычев, В. Н. Кравец // Пятая региональная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки нижегородского региона». Тезисы докладов - Н. Новгород, НГТУ им. Р. Е. Алексеева, 2006. - С.

25 Хорычев, Л. А. Алгоритм выбора метода синтеза новой конструкции автомобиля [Текст] / А. А. Хорычев, В. Н. Кравец // Пятая региональная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки нижегородского региона». Тезисы докладов - Н. Новгород, НГТУ им. Р. Е. Алексеева, 2006. - С. 130.

26 Кравец, В. Н. Классическая и системная теории автомобиля [Текст] / В. Н. Кравец, А. А. Хорычев // «Проектирование колесных машин». Доклады научного семинара, посвященного 70-летию кафедры «Колесные машины» МГТУ им. Н. Э. Баумана. -М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. - С.

27 Хорычев, А. А. Комбинаторный метод поиска новых типов кузовов легковых автомобилей [Текст] / А. А. Хорычев // «Проектирование колесных машин». Доклады научного семинара, посвященного 70-летию кафедры «Колесные машины» МГТУ им. Н. Э. Баумана. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006.

28 Хорычев, А. А. Актуальность и вариант модернизации классификации легковых автомобилей [Текст] / А. А. Хорычев // «Проектирование колесных машин». Доклады научного семинара, посвященного 70-летию кафедры «Колесные машины» МГТУ им. Н. Э. Баумана. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006.

Подписано в печать 22.11.2012. Заказ № 728. Тираж 100 экз. Печ. л. 1.0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Отпечатано в типографии ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, Волгоград, просп. им. В.И.Ленина, 28, корп. №7.

Волгоградский государственный технический университет

4

На правах рукописи

04201356862

Хорычев Артём Александрович

КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ АВТОМОБИЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЭВРИСТИЧЕСКИХ КЛАССИФИКАЦИЙ

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

7

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор А.В. Андрейчиков

Волгоград - 2012

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АБС Антиблокировочная система ОАО Открытое акционерное общест-

тормозов автомобиля «БСЗ» во «Борский стекольный завод»

БД Банки данных ОЗФА Основной закон функцио-

БЗ Базы знаний нирования автомобилей

БИКР Бюро испытаний кузовов и ОС Окружающая среда

рам (подразделение УКЭР) П Пассажиры

БТК Бюро технического контроля (подразделение ПГА) ПГА Производство грузовых автомобилей (подразделение

ВЗС Виброзащитные системы ОАО «ГАЗ»)

ВЗУ Виброзащитные устройства СВО Стекло ветрового окна

Г Груз СП Системный подход

ГА Грузовой автомобиль ТА Теория автомобиля

две Двигатель внутреннего сгорания ТЖ Технические жидкости

жц Жизненный цикл тз Техническое задание

и Информация тк Тип кузова

им Информационная модель то Технический объект

КБКГА Конструкторское бюро кузовов Тп Транспортирование

грузовых автомобилей и авто- ТР Техническое решение

бусов (подразделение УКЭР) тс Техническая система

кд Конструкторская документация ттс Теория технических систем

КПП Коробка передач автомобиля Тф Трансформирование

кэ Конечный элемент Тх Трансхронирование

кэм Конечно-элементная модель тэ Топливные элементы

ЛА Легковой автомобиль УКЭР Управление конструкторских

ЛПР Лицо, принимающее решения и экспериментальных работ

МА Множество автомобилей (подразделение ОАО «ГАЗ»)

МКЭ Метод конечных элементов ФТЭ Физико-технические эффекты

Мо Материальные объекты э Энергия

НДС Напряженно- деформированное состояние ЭВМ Электронная вычислительная машина

НИОКР Научно-исследовательские и эн Энергоноситель

опытно-конструкторские работы эп Энергопреобразователь

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................................................................................5

Глава 1 Обзор работ в области системного проектирования и характеристика

исследуемого класса технических объектов....................................................11

§1.1 Методы и программные средства для решения задач концептуального

проектирования инноваций.........................................................................11

§ 1.2 Характеристика подходов и методов, используемых при

проектировании автомобилей.....................................................................23

§1.2.1 Анализ работ по основам проектирования автомобилей..............23

§1.2.2 Использование методов системного анализа в теории

проектирования автомобилей и теории технических систем .......29

§1.3 Выводы по главе 1 и постановка задачи исследования.......................36

Глава 2 Разработка функционально-структурных классификаций действий, совершаемых в автомобилях, для синтеза новых технических решений ...37 §2.1 Обобщенная схема и основной закон функционирования автомобиля ...37

§2.2 Законы и закономерности эволюции автомобиля.................................56

§2.3 Законы эволюции функционирования автомобиля..............................59

§2.4 Методы проектирования автомобилей с учетом структуры теории..... 64

§2.5 Разработка классификаций кузовов и автомобилей..............................81

§2.6 Выводы по главе 2....................................................................................97

Глава 3 Разработка методики формирования баз знаний и данных для систематизации и прогнозирования новых технических решений

автомобилей и их подсистем.............................................................................99

§3.1 Методика построения систематики класса технических решений.......99

§3.2 Методика разработки семантической сети............................................125

§3.3 Выводы по главе 3...................................................................................139

Глава 4 Разработка автоматизированной системы систематизации

технических решений.......................................................................................140

§ 4.1 Формирование первичных информационных массивов...................140

§4.2 Алгоритм построения матриц отношений сходства...........................146

§4.3 Алгоритм построения иерархической классификации.......................146

§4.4 Выводы по главе 4.................................................................................152

Глава 5 Методика формирования прогностических моделей для поиска новых

технических решений.......................................................................................153

§5.1 Исследовательские сценарии..................................................................153

§5.2 Построение прогностической систематики технических решений для

выявления инновационных ниш...............................................................159

§5.3 Концептуальное проектирование инноваций по аналогии..................163

§5.4 Выводы по главе 5...................................................................................163

Основные результаты и выводы по работе......................................................164

Список литературы..............................................................................................165

Приложение А - Акты о внедрении результатов работ автора в производственный и учебный процесс

Приложение Б - Расчетно-экспериментальная часть

Введение

Актуальность исследования

Качество конструкторских разработок в значительной мере определяется эффективностью методов и инструментальных средств, используемых на начальных стадиях проектирования, на которых формируется функциональный и структурный облик будущих изделий, т.е. формируется концептуальное техническое решение.

На ранних стадиях проектирования прогнозируются перспективные рыночные ниши в результате многоаспектного анализа тенденций развития инноваций, реализуются творческие процедуры по синтезу новых технических решений, осуществляется многокритериальный выбор новых рациональных технических решений с учетом потребностей рынка и возможностями производителя инновационной продукции.

Решение всего этого комплекса задач требует использования в проектной деятельности большого арсенала разнообразных методов, инструментальных средств и информационных баз знаний и данных, адаптированных к конкретным предметным областям. В связи с этим актуальной является разработка методологии создания предметно-ориентированных технологий, обеспечивающих комплексное использование различных методов и средств на стадии концептуального проектирования сложных технических объектов и их подсистем.

Достаточно важным информационным ресурсом, активно используемым при проектировании новой техники, являются патенты, хранящиеся в специализированных базах данных различных стран мира. Эффективное использование этих информационных ресурсов для решения задач концептуального проектирования невозможно без их предварительной смысловой обработки высококвалифицированными специалистами предметных областей с последующим использованием полученных в результате классифицирования исходной информации обобщенных систематизированных знаний в автоматизированных системах поддержки принятия проектных решений. В связи с этим представляется актуальной разработка эвристических классификаций на основе анализа функционально однородных классов технических систем. Эвристические классификации открывают возможности для разра-

ботки широкого класса информационно-математических моделей для представления и обработки знаний о множестве технических объектов. Данный вид моделей является основой подсистем САПР начальных стадий проектирования, предназначенных для решения задач прогнозирования перспективных направлений поиска конкурентоспособных решений, а также для синтеза эффективных конструкций.

Методология создания информационной технологии концептуального проектирования, ряд модулей которой основан на эвристических классификациях, отрабатывалась на подсистемах автомобилей, поскольку повышение уровня конкурентоспособности данной отрасли является чрезвычайно актуальной задачей при переходе России на инновационный путь развития.

Отсутствие в настоящее время в нашей стране информационных технологий концептуального проектирования и прогнозирования новой техники, в которых использовались бы базы знаний созданные с использованием эвристических классификаций, говорит об актуальности проводимого исследования.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью работы является сокращение сроков и повышение эффективности концептуального проектирования, формализация выбора прототипа на стадии пред-проектных исследований.

Задачи работы:

1. Проанализировать и систематизировать известные подходы, методы и программные средства для решения задач проектирования определяющих узлов легковых автомобилей: кузовов и их виброзащитных систем (ВЗС).

2. Разработать методику, алгоритмы и процедуры концептуального проектирования подсистем легковых автомобилей на основе функционально-структурных классификаций.

3. Разработать методику формирования прогностических моделей для поиска новых технических решений рассматриваемых подсистем автомобилей.

4. Провести проверку работоспособности и эффективности использования предлагаемых алгоритмов и методик.

Методы исследования

Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы методы системного анализа и поискового проектирования, в том числе эвристического метода синтеза, морфологического анализа и синтеза, кластерного анализа, многокритериального формирования целевых функций.

Научная новизна исследования

Научная новизна результатов заключается:

- в функциональной, структурной и функционально-структурной классификациях кузовов и легковых автомобилей;

- в методике формирования баз знаний и данных на примере ВЗУ и кузовов;

- в методике автоматизированной систематизации технических решений и формирования прогностических моделей для поиска новых технических решений при проектировании;

- в исследовательских сценариях для формирования прогностических моделей.

К наиболее существенным научным результатам относятся:

1. Логическая модель взаимосвязанных элементов проектных процедур для прогнозирования и синтеза новых технических решений, основанная на функционально-структурных классификациях подсистем автомобилей.

2. Модель представления знаний о функциях и структуре подсистем автомобилей с использованием продукционных правил для формирования на основе классификационных признаков поисковых запросов к базе данных технических решений.

3. Алгоритмы вычисления метрических критериев релевантности между поисковыми запросами и поисковыми образами технических решений, хранящихся в базе данных.

4. Функционально-структурная прогностическая модель для выявления инновационных ниш автомобилей и их подсистем.

5. Алгоритмическая процедура многокритериального ранжирования классификационных признаков семантической модели и усечения множества конструкторских решений при извлечении их из баз данных.

6. Трансформационно-комбинаторный метод синтеза функционально-структурного облика сложных технических систем.

7. Алгоритмическая процедура кластерного анализа подсистем автомобилей по функциональным и конструктивным признакам, обеспечивающая выявление обобщенных признаков для формирования прогностических систематик.

Практическая значимость и использование результатов работы

Разработанные теоретические вопросы создания информационной технологии поискового проектирования исследуемых подсистем автомобилей позволяют:

- проводить автоматизированный мониторинг динамично развивающейся отрасли автомобилестроения;

- получать новые знания о строении и тенденциях развития рассматриваемых подсистем различных классов автомобилей;

- научно обоснованно планировать разработку конкурентоспособных и патентоспособных технических решений кузовов и ВЗС легковых автомобилей;

- модернизировать применяющиеся в конструкторских бюро подходы поискового проектирования автомобилей;

- создать новые учебно-методические средства для подготовки конкурентоспособных специалистов и студентов ВУЗов.

1) Использование в автомобилестроении

- Классификации кузовов и легковых автомобилей (в том числе как методические средства) используются в УКЭР ОАО «ГАЗ» для предпроектных исследований на начальных стадиях проектирования (имеется Акт о внедрении).

- Результаты статистических и расчетно-экспериментальных исследований системы «кузов-стекло ветрового окна», полученные в соответствии с разработанным автором алгоритмом поиска причин саморазрушения СВО автомобилей «ГАЗель» и «Соболь», использованы при корректировке конструкторской документации на автомобили «ГАЗель» и «Соболь» (Акт о внедрении), а также при разработке конструкторской документации на кузовные подгруппы снегоболотохода «Бобр» (Акт о внедрении).

2) Использование в учебном процессе

В 2008 году автор диссертации совместно с д.т.н., профессором кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ В.Н. Кравцом издал учебное пособие «Классификация транспортных средств», допущенное УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов для студентов, обучающихся по специальности 190201 (150100) Автомобиле- и тракторостроение.

Автором диссертации в соавторстве с к.т.н. А.Р. Герасимовым и старшим преподавателем Р.К. Акашевым в 2003 году подготовлено и издано учебное пособие для студентов специальностей 170900, 101200, 150200, 150100 «Теория надежности автомобиля, его агрегатов, систем и узлов».

Данные учебные пособия и электронная «Иллюстрированная база данных конструкций и дизайна автомобилей» используются в учебном процессе НГТУ им. P.E. Алексеева (2 Акта о внедрении), а учебное пособие «Классификация транспортных средств» также в ФГБОУ ВПО «Московская государственная художественно-промышленная академия им. С. Г. Строганова» (Акт о внедрении).

Акты о внедрении результатов научно-методической работы автора приведены в Приложении А к диссертации.

Достоверность и обоснованность полученных результатов

Достоверность и обоснованность полученных результатов основывается на применении научных методов системного анализа, а также ЭВМ и поверенного исследовательского оборудования, применяющихся в лабораториях ОАО "ГАЗ", и подтверждается практикой использования разработанных методик на крупном промышленном предприятии - в УКЭР ОАО «ГАЗ».

Апробация результатов

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:

- «Проблемы проектирования, испытаний, эксплуатации и маркетинга автотракторной техники, двигателей внутреннего сгорания, строительно-дорожных машин, транспортно-технологических комплексов и вездеходов» (Нижний Новгород, НГТУ, 2000 г.);

- «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». XXXIX Международная научно-техническая конференция ААИ (Москва, МГТУ «МАМИ», 2002 г.);

- «Будущее технической науки Нижегородского региона. Региональный молодежный научно-технический форум» (Нижний Новгород, НГТУ, 2002 г.);

- «Информационные технологии в образовании, технике и медицине». Международная научно-техническая конференция (Волгоград, ВолгГТУ, 2002 г.);

- «Будущее технической науки нижегородского региона». II Региональная молодежная научно-техническая конференция (Нижний Новгород, 2003 г.);

- «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». 49-я Международная научно-техническая конференция ААИ (Москва, МГТУ «МАМИ», 2005 г.);

- «Проектирование колесных машин». Научный семинар, посвященный 70-летию кафедры «Колесные машины» МГТУ им. Н. Э. Баумана. (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 г.).

- «Будущее технической науки нижегородского региона». V региональная молодежная научно-техническая конференция (Нижний Новгород, 2006 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликована 31 работа, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК; 2 патента РФ на изобретения (получены в рамках ФЦП «Национальная технологическая база» на 2007-2011 гг.); 2 монографии; 2 учебных пособия; 3 научно-технических отчета; 17 тезисов докладов на Международных и региональных научно-технических конференциях и семинарах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов работы, выводов, списка литературы (255 наименований) и включает 190 страниц текста, содержащие 68 рисунков, 39 формул, 31 таблицу. Диссертация также содержит 2 приложения.

Глава 1 Обзор работ в области системного проектирования и характеристика исследуемого класса технических объектов

§1.1 Методы и программные средства для решения задач концептуального проектирования инноваций

К области концептуального проектирования относят решение задач начальных этапов, когда определ�