автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Методология концептуального проектирования подземной разработки рудных месторождений

Акционерное общество закрытого типа корпорация «Университетские сети знаний»

С Г, " и V Г1

На правах рукописи

ПОПОВ Валерий Васильевич

УДК 622.272.001.2(043.3)

МЕТОДОЛОГИЯ КОНЦЕПТУАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 05.15.02 — «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Д и с с е р та ция

на соискание ученой степени доктора технических наук в виде научного доклада

Москва 1995

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. АРЕНС В. Ж-, докт. техн. наук, проф. КАПЛУНОВ Д. Р., докт. техн: науж, проф. ПЕТРЕНКО Е. В.

Ведущая организация — Государственный научно-исследовательский,.проектный и конструкторский институт горного дела и металлургии цветных ч.металлов «Гипроцветмет» (г. Москва).

Защита диссертации состоится » 1995 г.

п :{/. час. на заседании диссертационного совета Д-053Л2.02 при Московском государственном горном университете по адресу; 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией в 'виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета. 4

Диссертация в виде научного доклада разослана

« » ^сУС^еС . . . 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук, проф. КУЗНЕЦОВ 10. Н.

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация, представленная в виде научного доклада, содержит краткое изложение, анализ и теоретическое обобщение полученных и опубликованных в Т978—1995 гг. результатов исследований по совершенствованию теории и практики проектирования, в частности, его концептуальных этапов (т. е. этапов, предшествующих оптимизации параметров технического объекта) применительно к подземной разработке рудных месторождений на основе комплексного использования функционального подхода, общих и частных закономерностей развития техники и технологий, эвристических стратегий и методов, приемов подавления психологической инерции мышления, баз данных физических и других эффектов и явлении, типовых физических противоречий и стандартов их разрешения, готовых и производных ресурсов в технических системах, аналогий в живой и неживой природе, тезауруса горных знаний, позволяющих получать эффективные технико-технологические решения.

Актуальность проблемы. Традиционное проектирование подземной разработки рудных месторождений упрощенно можно представить следующим образом: на основании заданных требований и ограничений выбираются соответствующие концептуальные модели (аналоги) горных выработок, технологических схем, процессов, оборудования, а затем проводится оптимизация параметров выработок, расстояний между ними, параметров процессов (разрушения и/или упрочнения горных пород, доставки руды, закладки очистного пространства и т. п.).

Благодаря трудам российских ученых разработаны фундаментальные 'Методы и созданы автоматизированные системы оптимизации параметров подземной разработки рудных месторождений по руднику в целом и отдельным технологическим процессам.

Однако в проектировании и горной практике нередки случаи, когда использование известных аналогов (.концептуальных моделей) горных технологий (и техники) даже после оптимизации параметров не дает ожидаемых' результатов: Тогда необходимо создание новых концептуальных моделей тех-

нологий (и техники) с новыми .качественными параметрами. Это процесс, основанный на интуиции и использовании эвристических стратегий, тактик, .методов и др.

|В .последние десятилетия российскими и зарубежными учеными внесен большой вклад в разработку эвристических стратегий, тактик, методов, приемо,в, выявление закономерностей развития техни.ки и технологий, способствующих созданию технических решений с новыми качественными параметрами.

Однако использование этих знаний в .концептуальном проектировании подземной разработки рудных месторождений .затруднено и недостаточно эффективно из-за того, что многие эвристики имеют узкоотраслевой характер или слишком высокий уровень обобщения, системно не объединены, не адаптированы применительно к горной отрасли, не решен ряд других методологических проблем, препятствующих созданию конкурентоспособных горных технико-технологических проектных решений. Все это ¡придает чрезвычайно важное значение созданию ¡методологии концептуального .проектирования подземной разработки рудных месторождений, .которая должна не только существенно ¡повысить эффективность проектных работ за счет увеличения числа получаемых конкурентоспособных 'проектных решений при снижении трудозатрат на проектирование, но и значительно -повысить творческий потенциал проектировщиков, создать предпосылки для формирования новой проектной -культуры [19, 20, 31].

Цель работы — разработка методологии концептуального проектирования подземной разработки рудных месторождений на базе комплекса научно обоснованных методов и средств для ^повышения эффективности труда проектировщиков и получения новых технико-технологических решений.

Идея работы заключается в том, что в методологии концептуального проектирования должны комплексно использоваться функциональный подход, общие и частные закономерности развития техники и технологий, эвристические стратегии, методы, приемы, проблемно-ориентированные фонды (базы данных) репродуктивных и продуктивных знаний.

Методы исследований включали анализ проектной деятельности, функционально-физический анализ и синтез проектных решений, теорию графов, метод аналогий, обучающий эксперимент.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Повышение эффективности проектирования подземной разработки рудных месторождений достигается в рамках разработанной системной методологии проектной деятельности в зависимости от наличия или отсутствия адекватных аналогов и прототипа горных технико-технологичеоких решений за счет

использования соответственно стратегий итерационных, приближений или синтеза новых ('пионерных) проектных решений [13, 14, 19—23, 31].

2. Для преодоления психологических барьеров мышления при концептуальном проектировании горных технологий и техники весьма эффективные является последовательное описание проектной задачи и/или технических объектов на различных уровнях абстракции в виде элементарных функций Р. Коллера, набора обобщенных функций и потребительских качеств, функционально-логических структур, так называемых «принципов действия» техники и технологий на основе физических, химичес-ких, 'биологических, геометрических и др. эффектов и явлений [18, 19, 24, 31].

3. Общие законы и закономерности развития техники и технологий проявляются и в горном деле, а действие закона прогрессивной эволюции технической системы, (ТС) распространяется на все уровни проектной деятельности, что может быть эффективно использовано в концептуальном проектировании подземной разработки рудных месторождений [15, 19].

4. В концептуальном проектировании горных технологий и техники с достаточной эффективностью можно ограничиться использованием: критериев прогрессивного развития; метода эвристических приемов; физических противоречий и стандартов на их разрешение; следствий из законов соответствия между функциями и структурой ТС, стадийного развития ТС; прогрессивной эволюции ТС; частных закономерностей развития ТС; ресурсов ТС, аналогий ТС в живой и неживой природе [4, 5, 7, 11, 15, 17, 19—25, 27, 30—32].

5. Основой получения но>вых продуктивных -знаний для концептуального проектирования горных технологий и техники является глобальный функционально-физический анализ технико-технологических решений, заключающийся в выявлении и систематизации по определенным правилам различных видов знаний, ориентирующих проектировщика 'на наиболее вероятные пути совершенствования прототипа или создания новых .поколений технтки и технологий [1'8, 19].

0. Горные знания не имеют специфики, препятствующей их представлению в современных эффективных компьютерных технологиях концептуального проектирования в виде семантических сетей, и/или деревьев, фреймов, правил продукции, родо-видовых отношений и т. п. [8—10, 12/1'6, 19, 25—27].

7. Сформулированные алгоритмические основы проектной деятельности являются базой не только для их практического использования при создании горных проектных решений с новы, ми конкурентоспособными качественными параметрами, но п для реализации в процессе .профессионального обучения горным специальностям преимуществ .креативной (творчес-

кой, развивающей) педагогики, в отличие от традиционной педагогики, основанной на репродуктивной дидактике [19, 29, 31,33].

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

полной сходимостью реальных этапов и теоретических закономерностей развития горной техники и технологий;

положительным опытом создания компьютерных технологий в горной отрасли на основе современных способов представления знаний;

получением патентоспособных горных технико-технологических решений на основе разработанных эвристических процедур, 'рекомендаций и выявленных 'продуктивных знаний.

Научное значение работы состоит в создании эвристиче-скчх^ процедур как базы системной методологии концептуального, проектирования подземной разработки рудных месторождений.

Научная новизна диссертации заключается в следующей:

разработаны стратегии проектирования, включающие концептуальные этапы и определяющие наиболее рациональную последовательность действия проектировщика [14, 19—22, 31];,

предложены критерии прогрессивного развития горной техники и технологий, отличающиеся от существующих воз!мож-ностью ориентирования на оптимальные величины или уровни 'влияния, конкретных функциональных, технологических и других свойств горных ТС [17—19];

предложена модель творческой ¡(проектной) деятельности, отличающаяся комплексным представлением последовательности и эффективности действий проектировщика при использовании различных эвристических методов и средств [19];

установлено проявление общих законов и закономерностей развития горной.техники и технологий [15, 19];

■установлено, что действие закона прогрессивной эволюции технической системы не ограничивается ее функциональной структурой, а распространяется на потребительские качества и функции ТС [19];

предложены метод и средство .выявления неявных аналогий проектируемых ТС в живой и неживой природе, отличающиеся' описанием объектов формализованной совокупностью признаков и отношений между ними с последующим -установлением с помощью компьютера непустого пересечения множеств-признаков [19, 26, 31];

выявлен, ряд обобщенных эвристических приемов, типовых физических противоречий, физических эффектов и явлений, аналогий, готовых и производных ресурсов в горной технике и. технологиях, представляющих новые продуктивные знания ['18; 19, 24, 25, 30—32.];

получены новые систематизации физико-технических параметров горных пород и минералов месторождений республик б. СССР [27, 31].

впервые описаны горные знания (около 200 терминов и понятии) в виде родо-видовых и других отношений (тезауруса) [19, 27].

Практическое значение работы:

разработана инвариантная системная методология проектной деятельности (в том числе концептуальных этапов) на основе комплексного использования эвристических стратегий, тактик, методов, приемов, фондов (баз данных), закономерностей развития техники и технологий [7, '13, 14, 15, 18—22, 25, 30—32];

разработана методика проведения глобального функционально-физического анализа технических решений [18, 19];

предложены эвристические фонды (базы данных), включающие физические эффекты и явления, обобщенные .приемы, частные закономерности развития горной техники и технологий, типовые противоречия, аналогии, готовые и «производные» ресурсы в горных ТС [17—19, 24, 25, -30—32];

разработан автоматизированный кадастр физико-технических параметров горных пород и минералов месторождений (рудных, угольных, строительных материалов) республик б. СССР [27, 31];

разработан автоматизированный тезаурус горных знаний [19, 27];

разработана инвариантная автоматизированная система выявления аналогий проектируемых технических систем в живой и неживой природе [26,, 31];

разработана инвариантная автоматизированная система многокритериального выбора проектных решений [28];

разработаны алгоритмические основы проектной деятельности, являющиеся необходимым первым этапом к созданию автоматизированного комплекса проектной деятельности

[19];

предложены, новые способы разработки рудных месторождений, способы, реализации и контроля горных процессов .и концептуальные модели нового горного оборудования [1—3, 6,32—37].

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанная методология концептуального проектирования используется в научной, производственной, проектной и учебной деятельности Института проблем комплексного освоения недр РАН, концерна «Рудпром», проектного института «Гипро-цветмет», ^московских высших учебных за-ведений (горного, геологоразведочного, энергетического университетов, академии нефти и газа) и др.

Отдельные идеи, рекомендации, выводы и практические результаты работы использованы в «Методических указаниях .'до выполнению исследований в журсовых и дипломных 'проектах по специальности 0202 —ТПР» (1984 г.), учебнике «Основы научных исследований» (1989 г.), учебном пособии «Физические эффекты и явления в горном деле» (1993 г.), энциклопедическом словаре-справочнике «Техническое творчество: теория, ¡методология, практика» (1995 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее • результаты'были доложены, и получили одобрение на технических совещаниях .концерна «Рудпроы» (Москва, 1992 г.), проектного института «Гипроцветмет» (Москва, 1995 г.), научных семинарах кафедры технологии подземной разработки руд МГ-ГУ (Москва, 1991, 1995 гг.), кафедры технологии разработки руд М'ГРА (Москва, 1991 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Рудник будущего при механизированной подземной разработке мощных месторождений крепких руд» (Москва, 1979 г.), Всесоюзной научно-теоретической •конференции «Проблемы, эвристики» (Юрмала, 1985 г.), Всесоюзной научно-технической .конференции «Перспективы развития технологий подземной разработки рудных месторождений» (Москва, 1985 г.), Всесоюзной научно-практической конференции «Методологические проблемы научно-технического творчества» (Юрмала, 1988 г.), Всесоюзной научно-практической конференции «Методологические проблемы, научно-технического прогресса. Чегетский форум» (Терскол, 1989 т.), Специализированном постоянно действующем семинаре ВНИИП'М «Проблемы формирования систем машин и техники новых поколений» (Москва,. 1990 г.), 5-й Всесоюзной конференции «Автоматизация поискового конструирования — теория и методы технического творчества» (АПК-90) (Ижевск, 1990 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников» (Москва, ¡1990 г.), Американском горном конгрессе (Лас-Вегас, США, 1992 г.), Всероссийской конференции «Университетские сети знаний» UNIKNET'93 (Москва, '1993 г.), проведенном Академией естественных наук РФ и Академией наук высшей школы заседании круглого стола на тему «Методология инженерного творчества» (Москва, 1993 г.), Первой международной конференции по дистанционному обучению в России «Distance Learning and New Technologies in Education» (ICDED'94) .(.Москва, 1994 г.), Международной конференции «Информационные технологии в проектировании» (EWITD'94) (Москва, 1994 г.), межкафедральном семинаре в МГГУ (1995 г.), Международной конференции ЮНЕСКО по инженерному образованию «International conference of engineering education» (ICEE'95) '(Москва, 1995 г.).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 39 работах, в том числе в энциклопедическом словаре-справочнике, двух монографиях, учебнике, учебном пособии, двух брошюрах, 6 авторских свидетельствах на изобретения, а также в научно-технических отчетах, депонированных в ВНТИ Центре.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

1.1. Роль и место концептуального проектирования в общей системе проектирования [19, 20, 31]. 'Проведенный анализ нормативных документов по проектированию, структурно-логических схем, эвристических стратегий и тактик, «алгоритмов изобретения», «контрольных .вопросов», других методик творческой деятельности, являющейся по сути проектной, показал, что большинство из них, наряду с достоинствами имеют недостатки, заключающиеся в излишнем обобщении или излишней .конкретизации, узкой направленности, неточности формулировок, непоследовательности и др.

За основу структурно-логической схемы проектной деятельности принята разработанная А. И. Половинкиным методология иерархического выбора проектных решений, которая представляется наиболее .простой, достаточно строгой и последовательной. В этой методологии выделяются 6 уровней и 2 этапа. На нервом уровне выбирается удовлетворяемая потребность, на втором — потребительские качества, на третьем—функциональная структура, на четвертом — принцип действия, на пятом — техническое решение, на шестом — параметры. При этом выделяются этап маркетинга или внешнего проектирования, включающий 1-й и 2-й уровни, и этап внутреннего проектирования., 'включающий 3-й—6-й уровни.

Однако, учитывая то, что выбору всегда предшествуют логические операции анализа и синтеза, структурно-логическую схему проектной деятельности (без подготовки документации) целесообразнее представлять, как показано на рис. 1. При этом выделяется важное понятие — ОБЛИК технического объекта (ТО) или технической системы (ТС). Эти два термина означают одно и то же, поэтому соискатель, использует оба (ТО и ТС) в зависимости от того, ¡какой термин использовали в рассматриваемом вопросе другие исследователи.

Таким образом, 1-й, 2-й уровни (являющиеся по сути техническим заданием), а также 3-й, 4-й, 5-й .уровни (облики) включают КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТО [13, 14, 19—22, 31].

Разделение признаков ТО на облики и параметры имеет большое методологическое значение.

1. Для создания множества альтернативных проектных решений определяющее значение имеет процедура генерации множества обликов (концептуальных моделей). Подмножества, входящие в облики, формируются, как правило, тривиальным путем варьирования значениями параметров.

!2. Генерация новых обликов осуществляется, как правило, эвристически. Патентное право защищает, как правило, именно облики (например, изобретения — способы, разработки месторождений, «а:к правило, не содержат ни одного размера).

3. Оптимизация параметров ТО исключительно редко приводит ;К созданию новых обликов ТО.

4. Наиболее эффективный путь совершенствования технологии -и техники—совершенствование обликов ТО, т. е. концептуальное проектирование.

Эти выводы полностью 'подтверждаются практическими данными, .которые показывают, что за счет оптимизации параметров эффект по сравнению с аналогом не превышает в среднем 10—30%.

Существенно больший эффект (в среднем 30—50%) можно получить за счет изменений технологических ¡(конструктивных) решений. Овьше 90% изобретений в нашей стране — это результат .преобразований ТО на 5-м уровне.

В несколько раз -больший эффект, как правило, бызает при реализации в технологии или технике нового принципа действия, основанного на использовании новых физических, химических, биологических, геометрических и других эффектов или их комбинаций (4-й уровень).

Повышение искомой эффективности на порядок и более может быть при изменении функциональной структуры ТО (3-й уровень). Примером может быть сравнение двух функциональных структур добычи серы: существовавшей до начала XX века (традиционные стволы, шурфы, другие вскрывающие и подготовительные выработки, механическая, взрывная отбойка, доставка и другое) и широко распространенной подземной выплавки серы через скважины.

Однако наибольшие эффект (прибыль) или негативные последствия (убытки) могут дать 1-й и 2-й уровни (формирование ТЗ).

Недостаточное внимание проектировщиков в нашей стране именно к этим этапам нередко приводит к низкому качеству проектных решений. Это проявляется на 1-м уровне при плохо отобранном наборе функций ТО в их ограниченности, неэффективности, а иногда и ненужности, а на 2-м уровне — при недоучете мировых показателей .потребительских качеств ТО, например, производительности, энергопотребления, веса, габаритов, уровня шума, газовыделения и др.

При неудачно сформированном ТЗ спроектированные любые соответствующие ему альтернативные концептуальные модели функциональных структур, принципов действия и реализованные на их основах технологии и устройства '(даже с оптимизацией параметров) все равно приведут -к убыткам (нередко большим) при эксплуатации или за счет того, что не будут приняты к внедрению (изготовлению).

Следует отметить, что наибольшая прибыль -может 'быть получена не столько за счет глубокого учета существующих функций и потребительских качеств, сколько при генерации (синтезе) новых функций и потребительских качеств. При этом нередко для их реализации необходимы минимальные затраты, однако качественные и количественные показатели ТО могут быть существенно улучшены.

1.2. Модель творческой деятельности [19]. Проектная деятельность является творчеством высокого уровня сложности, который предполагает использование соответствующей ТЕХНИКИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ РАБОТЫ (т. е. методов и средств). С целью более полного представления эффективности использования различных -методов и средств в творческой (проектной) деятельности апзтором разработана модель творческой деятельности.

К сожалению, до сих, пор наиболее распространенным методом творческой деятельности является МЕТОД ПРОБ И ОШИБОК (МП и О), заключающийся <в «слепом» переборе вариантов. Эффективность этого метода, хотя и безусловно зависит от субъекта творчества, его интуиции, настойчивости и других факторов, чрезвычайно низка и требует больших затрат. Достаточно вспомнить,, что, например, даже Эдисон нашел приемлемое решение для щелочного аккумулятора лишь после более чем 50 тысяч опытов.

Образно, упрощенно можно считать, что множество релевантных (т. е. относящихся -к конкретной проблемной ситуации) решений представляют собой сферу" 1в пространстве всех знаний (рис. 2), причем эффективность релевантных решений повышается от границ сферы (1) к ее центру (2), где находится искомое наилучшее решение (так называемый ИДЕАЛЬНЫЙ КОНЕЧНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ).

Стратегию деятельности проектировщика, пользующегося на этапах концептуального проектирования только МП и О, можно упрощенно представить как повторяющуюся последовательность следующих операций (рис. 2, а):

— формирование (как правило, за счет интуиции) одного или нескольких первоначальных замыслов, идей 1(3) решения проблемной ситуации (т. е. по существу — это определение позиции замысла, идеи в сфере релевантных решений);

— проведение в разных направлениях от замысла, идеи (пространственная ориентация направления тоже зависит от

интуиции) проб (4), представляющих альтернативы конкретных реализаций данного замысла, идеи.

'Продвижение к идеальному конечному результату (ИКР), а точнее — к области (сфере) наиболее эффективных решений (5) вокруг ИКР, достигается последовательно за счет возникновения и апробирования новых замыслов, идей '(6) после оценки результатов перспективных проб первоначального замысла, идеи (3). Как видно из рис. 2, а, это продвижение требует больших затрат.

Проектировщик, владющий эвристическими стратегиями, тактиками, .методами, приемами, закономерностями, а также психологией творчества, позволяющими представить в той или иной степени образ ИКР, сразу формирует множество первоначальных замыслов, идей (3) решения проблемной ситуации, пространственно ближе расположенных к ИКР (рис. 2, б). При этом дальнейшая деятельность проектировщика (пробы, формирование новых замыслов, идей), за счет продуктивных знаний происходит как бы в узких тоннелях (7), с пространственными ориентациями (у каждого вида продуктивных знаний свой тоннель со своей ориентацией), тяготеющими к ИКР.

Таким образом, несколько эвристических тоннелей (оптимально 10—15) от нескольких наиболее эффективных замыслов, идей позволяют своими квазипересечениями около ИКР определить с гораздо меньшими, чем при МП и О затратами, область наиболее эффективных решений вокруг ИКР (понятно, что сам ИКР недостижим, как все, что связано с идеалом).

1.3. Системная методология проектной деятельности. Данная методология разработана автором на основе структурно-логической схемы проектной деятельности (см. рис. 1), модели творческой деятельности (рис. 2, б) и включает три стратегии [17, 19—23, 31]: прямой оптимизации и итерационных приближений (направленных на совершенствование аналогов и прототипа), и синтеза новых (пионерных) проектных решений (рис. 3).

• После первоначального формирования ТЗ, его реализацию нужно начинать со стратегии прямой оптимизации, обеспечивающей минимум затрат на проектирование. Эта стратегия выполняется исходя из условия, что известный прототип чуть «не дотягивает» до конкурентоспособности (не хватает 10— 30% эффективности) и, возможно, оптимизация его параметров позволит выйти на должный уровень. Или, например, применительно к технологии разработки месторождения, — когда выработки, скважины «привязывают» (оптимизируют размеры, число, расположение) к условиям разработки. В общем случае ТЗ формируется с использованием метазнаний, отражающих различные аспекты взаимодействия: «человек — техника—природа», а также'фондов (баз данных) потребностей '(функций) и потребительских качеств, и является основой для

выбора прототипа (ов) из фонда (базы данных) технологических (конструктивных) решений — 5-й уровень, траектория а. При этом возможны два варианта: 1) прототип полностью отвечает требованиям ТЗ и является конкурентоспособным проектным решением (в этом случае проектирование завершается); 2) для достижения конкурентоспособности выбранного прототипа достаточно оптимизировать его параметры' с помощью любых известных методов и средств, т. е. реализуется 6-й уровень. Если оба варианта стратегии'прямой оптимизации не привели к конкурентоспособному проектному решению, то следует перейти к стратегии итерационных приближений, которая включает непосредственные концептуальные этапы. Последовательность работы проектировщика по этой стратегии образно можно сравнить с функционированием лифта, который начав движение с 1-го этажа (см. рис. 3, траектория б), поэтапно движется на 2-й, 3-й и т. д. этажи и каждый раз возвращается на 1-й этаж.

Первый этап. С 6-го уровня проектировщик переходит на 5-й уровень. Используя продуктивные знания, проектировщик на основе выбранного прототипа создает множество новых альтернатив технологических (конструктивных) решений и после их оценки выбирает нехудшие (да), остальные отбрасывает (нет). Здесь возможны два варианта: '1) найденное решение оптимально по своим параметрам и конкурентоспособно (такое нередко у опытных инженеров); 2) необходимо оптимизировать .параметры найденного решения (т. е. .возвращение на 6-й уровень). Если результат приводит к конкурентоспособному решению, то проектирование завершается;, в противном случае происходит переход к следующему этапу.

Второй этап заключается в том, что проектировщик осуществляет выбор (синтез) нового принципа действия ТО (4-й уровень). Отобранные нехудшие варианты должны быть реализованы в технологических (конструктивных) решениях (5-й уровень), при необходимости — оптимизированы |(6-й уровень). Если результат достигнут, то проектирование завершается, в противном случае происходит переход к следующему этапу.

Третий этап. Цель проектировщика — выбрать или создать новые функциональные структуры ТО (3-й уровень). Отобрав нехудшие альтернативы, проектировщик последовательно обращается к 2-му и 1-.му этапам. При неудаче осуществляется переход к следующему этапу.

Четвертый этап. Переход к этому этапу означает, что какие-то потребительские качества завышены или занижены (например, в ТЗ заложен слишком низкий уровень энергопотребления) и .не могут быть реализованы, при данном уровне развития науки и техники. В этом случае потребительские ¡качества корректируются («огрубляются»), возможен отказ от

некоторых из них и далее осуществляется полное прохождение остальных (3-го, 2-го, 1-го) этапов. Если конечная цель (получение конкурентоспособных решений) не достигнута, то проектировщик переходит к последнему, 5-му этапу.

Пятый этап заключается в пересмотре функциональных потребностей. Подход здесь такой же, как и и а 4-м этапе. После этого ¡выполняются повторно остальные этапы.

Стратегия синтеза новых, (пионерных) проектных решений реализуется последовательно с 1-го по 6-й уровни сверху вниз с генерацией, оценкой и выбором альтернатив на каждом уровне (см. рис. 3, траектория в). Эта стратегия используется после неудачного опробования стратегий ¡прямой оптимизации и итерационных приближений или при решении поисковых, перспективных задач, когда очевидно, что известные решения, обеспечивающие выполнение данных функций и потребительских качеств, исчерпали себя. Если в результате процедур всех уровней не получено конкурентоспособного решения, то формируется новое ТЗ и все повторяется. Особое внимание при этом должно быть уделено синтезу новых функциональных потребностей и потребительских качеств. 1 Опробование системной методологии проектной деятельности показало, что она по сути инвариантна и может быть использована в различных отраслях, в том числе и горной, для проектирования подземной разработки рудных месторождений.

Таким образом, эффективность концептуального проектирования в целом достигается в рамках разработанной системной методологии в зависимости от наличия или отсутствия достаточно эффективных аналогов и 'прототипа за счет использования соответственно стратегий 'итерационных приближений или синтеза новых (пионерных) проектных решений.

2. МЕТОДЫ ПРЕОДОЛЕНИЯ ПСИХОЛОГИЕСКИХ БАРЬЕРОВ

МЫШЛЕНИЯ ПРИ КОНЦЕПТУАЛЬНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ

2.1. Психологические барьеры мышления [11, 19, 21, 22].

Наиболее распространенными в концептуальном проектировании являются барьеры терминов, которые возникают сразу же, когда проектную задачу формулируют в рутинном виде, т. е. прямо ¡или косвенно упоминая о каком-то прототипе — объекте, который необходимо усовершенствовать. Объекты описываются принятыми терминами, которые вызывают определенные ассоциации в сознании человека. Так, буровая вышка сразу же мыслится в виде конструкции над земной поверхностью, хотя более эффективной альтернативой вполне может быть и подземная (и даже не вышка). А при упоминании термин «фильтр» большинство людей представляют себе конструкцию из сетки или тела, имеющего пористую струк-

туру. Иначе говоря, в сознании возникает вполне осязаемая преграда, которая что-то пропускает, а что-то задерживает, .хотя известен электромагнитный, фильтр, который вовсе не преграда в обычном смысле этого слова.

Попав «о плен» терминов, можно лишь усовершенствовать прототип, но создать что-либо принципиально новое нельзя.

Барьер терминов оказывает большое негативное влияние при формулировании проблемы (формировании ТЗ)—наиболее ответственном этапе проектирования. Для преодоления барьеров мышления при концептуальном проектировании' технологий и техники подземной разработки рудных месторождений автором предлагается последовательно описывать проектные задачи и/или технические объекты на различных уровнях абстракции: в виде функционально-логических структур па осмосе элементарных функций Р. Коллера; набора обобщенных функций и потребительских качеств; принципов действия техники и технологий.

2.2. Функциональный подход, обобщенные функции и потребительские качества [13, 18, 19]. Проектирование по существу начинается с разработки ТЗ — итерационного процесса, заключающегося главным образом в составлении списка функциональных потребностей и потребительских качеств объекта проектирования для конкретных условий и ограничений. При этсм наиболее звристичным является описание и рассмотрение (анализ, синтез, оценка) аналогов и прототипа как комплекса выполняемых ими функций, а не (только) <ма-териальпо-вещсственных структур.

ФУНКЦИЯ — проявление свойств материального объекта, заключающееся в его действии (воздействии или противодействии) по изменению состояния других ¡материальных объектов. При проектировании следует исходить из предпосылки, что выполнению ПОЛЕЗНЫХ функций (главной, основной, вспомогательной) в объекте всегда сопутствуют ВРЕДНЫЕ и НЕЙТРАЛЬНЫЕ функции.

Например, БВ при дроблении негабарита одновременно выполняет несколько функций: полезную—дробление негабарита; вредные — перемещение кусков (отчасти -может быть полезным), воздушный удар, газовыделение; нейтральную — нагревание кусков и воздуха.

Задача проектирования, в сущности, должна сводиться к тому, чтобы повысить эффективность и расширить перечень полезных функций (и потребительских -качеств) найденных аналогов и прототипа, исключить или уменьшить действие вредных функций. Необходимо при этом помнить, что вредные или нейтральные функции одного объекта -могут быть чрезвычайно полезны для другого и наоборот.

Рассмотрим некоторые правила описания потребностей и потребительских качеств, которые позволяют уменьшить влия-

нне 'барьера терминов и увеличить число аналогов в .качестве возможных альтернатив для решения конкретной проблемной ситуации при проектировании.

Для описания различных функциональных потребностей (ФП) принята формула, предложенная А. 'И. Половинкиным: ФП =!(£), в, Н, Я),

где О — производимое действие, направленное на объект ■(предмет труда);

б—предмет труда или объект, на который направлено действие;

7? — результат или необходимая продукция, полученная при (воздействии на объект (предмет труда);

Н — особые условия и ограничения, при которых производится преобразование или использование объекта (предмета труда).

Сразу, как правило, сложно описать функциональную потребность наиболее эвристичным образом, позволяющим выявить и .качестве возможных решений достаточное количество аналогов в различных отраслях и в -природе. Поэтому соискателем предлагается первоначально «как получится» сформулировать ФП по приведенной формуле (обязательно наличие компонент Б, 7?, й). Например:

Я Я

1. Закладывать

А Я

2. Доставлять

А Я

3. Обогащать

А Я

4. Отбивать

выработанное пространство

а

сыпучий материал

в

руду

о

руду

//

твердеющей смссыо

Н

вверх

В последующем должно производиться многократное'пере-формулиравание первоначально описанных функций и потребительских качеств и их итерационное приближение к более эвристичным,, так называемым ОБОБЩЕННЫМ функциям и потребительским качествам. Для их формулирования предла гаются следующие правила, основанные на рекомендациях В. М. Герасимова и С. С. Литвина, которые соискателем скор ректированы, дополнены и адаптированы применительно I горной отрасли.

1. Формулировка функций не должна содержать указашп на конкретное материальное воплощение объекта (для технических систем — на конкретное конструктивно-технологическое исполнение).

Например, формулировка «закладывать выработанное пространство твердеющей смесыо» психологически затрудняет возможность рассмотрения других технических решений (крепление выработанного пространства, упрочнение вмещающих

пород и др.), которые в принципе могут обеспечить необходимые функции и потребительские качества. Поэтому ФП № 1 даже в привычным для горняков виде как «поддерживать очистное пространство» более эврпстична. Однако термин «поддерживать» у большинства ассоциируется со статичностью. Между тем известно, что при скачке горного давления его спад и устойчивое состояние пород могут возникнуть и при ограниченном перемещении массива пород. Кроме того, понятие «очистное пространство» затрудняет обращение к главному объекту воздействия—массиву пород. Однако и термин «порода» может затруднить нахождение аналогов в других (не горной) отраслях в качестве альтернатив, для решения проблемной ситуации. С учетом изложенного для ф|П Ло 1 обобщенной функцией будет «ограничивать перемещение материала». Следует -подчеркнуть, что использование обобщенного понятия «материал» или, например, «объект» всегда будет более эвристичным, чем его терминологическое название (например, руда, порода, буровая установка и т. п.). Более того, фиксация на первых этапах проектирования (формирование ТЗ) исходных свойств материала (в частности, его фазового состояния — твердый, жидкий, сыпучий, газ) также может затруднить нахождение и использование аналогов, прототипа для реализации необходимой функции. Например, если убрать понятие «сыпучий», то тогда не исключено, что в конкретном случае наиболее эффективным будет использование технических решений (возможно из не горных отраслей), позволяющих перемещать не сыпучий, а монолитный материал. Для этого сыпучий материал необходимо лишь (временно) за,морозить, склеить и т. п. в блоки. А может быть целесообразно для перемещения перевести материал в газообразное или жидкое состояние. С этих точек зрения для ФП № 2 обобщенной функцией и потребительским качеством будет «перемещать материал», для ФП № 3 — «сортировать материал», для ФП № 4 — «дезинтегрировать материал». К обобщенным, например, можно отнести и предложенные В. П. Кашириным так называемые качественно обособленные виды технологических функций: получение '(синтезирование, генерирование); преобразование (трансформация, редуцирование, 'кодирование); транспортировка (перемещение, передача); накопление (аккумуляция, хранение).

2. При формулировании функции необходимо выбирать глагол, отражающий пря'мое десйтвие. Поэтому не рекомендуется использовать глаголы, обозначающие «общие слова» (обеспечить, улучшить, добиться, предотвратить, исключить и г. д.).

3. При формулировании глагольной части функции рекомендуется не употреблять частицу «не». Например, для перемычки неудачной будет формулировка «не пропускать за-

кладку (воду, воздух)». Лучше — «задерживать закладку (воду, воздух)». Еще лучше — «ограничивать перемещение материала». Только при подобной формулировке наиболее вероятно, что у проектировщика, кроме идей совершенствования конструкций перемычки, возникнут может быть более плодотворные идеи (например, «изменить консистенцию или фазовое состояние ¡материала»).

4. Для описания ФП должны выбираться объекты (предметы труда), а не их свойства и .параметры. Например, с этой точки зрения функция вентилятора «перемещать газ (материал», а 'не «снижать запыленность и загазованность воздуха» (в этой связи и обобщенная функция насоса — «перемещать материал»).

Разработаны и другие .правила и приемы формулирования обобщенных функций и 'потребительских качеств, позволяющие существенно повысить эвристичность ТЗ при концептуальном -проектировании горных технологий и техники.

2.3. Описание проектной задачи и/или технических объектов элементарными функциями Р. Коллера [18, 19]. Даже обобщенные функции и потребительские качества обладают достаточной конкретностью, чтобы сузить возможности решения 'проектной задачи. Поэтому начальный этап формирования ТЗ рекомендуется осуществлять на самом высоком уровне абстракции с помощью 12 элементарных (в дальнейшем более неделимых) функций и их инверсий (например, «излучение— ¡поглощение, проводимость — изолирование» и другие), предложенных немецким ученым Р. Коллером. Используя элементарные функции Р. Коллера, можно легко описывать КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ сложных машин, технологических и информационных процессов на различных иерархических уровнях, т. е. непосредственно ОБЪЕКТА и/или его ЭЛЕМЕНТОВ. При этом элементарные функции характеризуют в концептуальной ¡модели лишь вид действия, не неся никакой информации о входных и выходных, величинах (хотя возможно и последнее). Таким образом, достигается необходимый уровень абстракции, лишенный терминологического груза, что значительно облегчает анализ и выявление профессиональных главных функций аналогов и прототипа и позволяет. комбинируя элементарными функциями, уже на первых этапах проектирования синтезировать патентоспособные концептуальные модели объектов. Соискателем показаны возможности и целесообразность использования подобного подхода в концептуальном 'Проектировании горной техники и технологий. Например, все многообразие систем подземной разработки твердых полезных ископаемых '(несколько сот вариантов) можно описать одной концептуальной моделью (абстрактной функционально-логической структурой), рис. 4.

Рассмотрим технологическую цепочку по рис. 4. К рудному телу с ¡помощью стволов, выработок, скважин, физических полей организуют проводящее пространство (по Р. Колле-ру) — ПРОВОДИМОСТЬ (далее по тексту все элементарные функции Р. Коллера выделены прописными буквами); после этого этого руду отбивают, дробят, плавят, растворяют (ПРЕОБРАЗОВАНИЕ) , или, используя обобщенные функции, производится дезинтеграция; затем—доставка '(выпуск), транспорт, подъем (ПРОВЕДЕНИЕ) вещества ¡(рудной массы). После каждого из этих процессов возможны НАКОПЛЕНИЕ и ВЫДАЧА.

В свою очередь, окружающая среда »(вмещающие породы) может быть подкреплена целиками, крепью, закладкой «снаружи», (т. е. из очистного пространства), упрочнена «изнутри» или, наконец, обрушена. Однако все это направлено на снижение (ВЫРАВНИВАНИЕ) скачка горного давления, вызванного очистной выемкой.

Таким образом, такая функционально-логическая структура образно 'показывает все существующие и возможные технические решения разработки твердых полезных ископаемых (для жидких и газа может отсутствовать функция ПРЕОБРАЗОВАНИЕ) без «плена» конструктивно-технологических деталей отдельных систем разработки.

Кроме того, из рис. 4 легко выявить главные функции подземной разработки твердых полезных ископаемых, которые показывают, что при совершенствовании технологии добычи руд следует сосредоточить усилия для творческого переосмысления лишь четырех главных функций: ПРОВОДИМОСТИ, ПРЕОБРАЗОВАНИЯ (дезинтеграции), ПРОВЕДЕНИЯ, ВЫРАВНИВАНИЯ. Новая эффективная реализация хотя бы одной из этих главных, функций, как правило, приведет к принципиально новой технологии подземной разработки твердых полезных ископаемых.

2.4. Принципы действия техники и технологий [13, 18—20, 24, 31]. Каждая элементарная функция ¡(например, см. рис., 4) может быть реализована десятками (а иногда и сотнями) различных физических, химических, биологических, геометрических и других эффектов и явлений (ФЭ). Один ФЭ, а чаще функционально-структурное взаимодействие нескольких ФЭ .по сути определяет так называемый принцип действия конкретной техники или технологии.

При этом проектировщик, владеющий сведениями о различных ФЭ, может (избежав «плен» конструктивно-технологических терминов ТО), комбинируя ФЭ, получать новые альтернативы принципов действия ТО.

Ученые насчитывают до 10 тыс. ФЭ, практически представляющих все мироздание. Однако сведения в литературе о многих ФЭ разрознены, а сущность ФЭ, реализованных, в част-

2

17

ности, в горных машинах и технологиях, «растворяется» в их -конструктивно-технологических деталях. Поэтому выявление и описание ФЭ, которые используются или могут быть использованы в горной области, являются важнейшей научной и практической задачей.

Практика показала, что расширение багажа проектировщика даже несколькими десятками ФЭ, реализующих главные функции-в проблемной области (например, ПЕРЕМЕЩЕНИЕ, ДЕЗИНТЕГРАЦИЯ материала), сразу значительно увеличивает количество и повышает эффективность проектных решений.

Еще большие возможности появляются при создании формализованной базы данных ФЭ. Кроме автоматизированного поиска ФЭ, такая база данных, снабженная специальной программой, позволяет по заданным входным и выходным воздействиям автоматически синтезировать множество цепочечных структур из нескольких совместимых ФЭ, являющихся по сути альтернативными принципами действия ТО.

Ца основе анализа множества эффективных технологий подземной разработки месторождений группой исследователей под руководством соискателя выявлены, описаны м формализованы 167 ФЭ [24, 31]. При описании ФЭ использована трехкомпонентная структура и форма, разработанные под руководством А. И. Половинкина:

где А — вход; В — объект; С — выход.

Каждый ФЭ представлен в базе данных следующим образом:

ПОРЯДКОВЫЙ НОМЕР И НАЗВАНИЕ ФЭ

ВХОД ФЗ (дается название ¡входной физической величины, ее размерность и характер изменения, (например, увеличение, уменьшение); иногда входов бывает больше одного, тогда последовательно описаны: Вход 1..., Вход 2...).

ВЫХОД ФЭ (описывается аналогично :ВХОДУ).

ОБЪЕКТ, СУЩНОСТЬ ФЭ, ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИИ (кратко раскрываются эти понятия с указанием литературы, где подробнее раскрыта сущность ФЭ и возможности его использования).

База данных включает: ФЭ, обусловленные механическими, тепловыми, электрическими свойствами горных пород; ФЭ для управления свойствами горных 'пород; ФЭ при разрушении горных пород; ФЭ при управлении горными давлением и Др.

3. ПРОЯВЛЕНИЕ ОБЩИХ ЗАКОНОВ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАЗВИТИЯ ГОРНОЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ

Известно довольно много исследований и 'публикаций, авторы которых с различной обоснованностью претендуют на установление инвариантных для разных отраслей законов и закономерностей развития техники и технологий. В целом знание этих законов и закономерностей (хотя некоторые из них носят лишь, частный характер) позволяет проектировщику, не только быстрее выявить и глубоко осмыслить недостатки и противоречия в существующих машинах и технологиях, но, используя следствия из этих законов и закономерностей как эвристические тоннели, синтезировать эффективные проектные решения на разных этапах концептуального проектирования, а также делать крупные научно-технические прогнозы. Все это успешно используется в различных отраслях. Однако нередко достижения других отраслей с трудом '(по разным причинам, в том числе из-за преувеличения многими специфичности горных знаний) внедряются в горную науку и практику. Все это и побудило соискателя, провести исследования и показать, что инвариантные законы и закономерности развития техники и технологий инвариантны и для горной области.

3.1. Закон соответствия между функциями и структурой технической системы [19]. Суть его состоит в том, что в ТС тогда имеет место полное соответствие между выполняемыми функциями и структурой, когда структура и каждая функция ТС реализуют конкурентоспособные критерии эффективности. Нарушение указанного соответствия возникает при исключении из структуры ТС любого элемента, изменении требований к функциям и критериям эффективности или изменении внешних факторов, влияющих на структуру.

'Говоря другими словами, знание и понимание закона позволяет проектировщику системно проанализировать соответствие конкурентоспособным критериям эффективности главной, основных и вспомогательных функций любой машины или технологии, например, процесса доставки руды в комплексе и его отдельных функций: погрузки, перемещения материала, выгрузки (разгрузки) и др. Проявление закона может быть показано при изменении внешних факторов (например, увеличении горного давления), когда при использовании, например, донного выпуска и двухстадийной выемки руды возникает несоответствие между функциями и структурой, что вызывает необходимость перехода к другой структуре — например, к одностадийной выемке и торцевому выпуску руды. Закон может служить научным обоснованием для применения функционально-стоимостного и морфологического анализов горных технологий. Наконец, закономерности сим'метрии, являющиеся следствиями закона соответствия между функциями и струк-

2*

19

Турой ТС, широко (а может, еще недостаточно) используются в конструкциях, днищ блоков и других элементах систем разработки полезных ископаемых.

3.2. Закон стадийного развития техники и технологий [15, 19] —это один из самых глобальных законов, который отображает и регулирует наиболее крупные революционные изменения в технике и технологиях от каменного века до наших дней и будет еще актуален в обозримом будущем. На философском уровне закон обосновали и сформировали Ю. С. Ме-лещенко и С. С. Товмасян. Ниже дано изложение закона на инженерном уровне >в принятой системе понятий.

При обработке любого материального предмета труда реализуются четыре фундаментальные функции труда:

Т — технологическая функция, связанная непосредственно с изменением материального предмета труда;

Э — энергетическая функция, связанная с обеспечением энергией процесса обработки предмета труда;

У — функция управления ¡процессом обработки предмета труда;

П — функция планирования количества и качества производимой продукции.

Суть закона заключается в последовательной (стадийной) передаче технической системе выполнения указанных фундаментальных функций. Эта последовательность передачи показана в табл. 1 на примерах развития нескольких отечественных горных технологических процессов и комплексов.

Результаты анализа показывают, что закон стадийного развития в полной мере проявляется и в горном деле. 'Как видно, из табл. 1, рассмотренные процессы разрушения горной породы (отбойка), доставка и их технологические комплексы находятся на второй стадии развития. Для повышения их эффективности следующим шагом должен быть переход на третью стадию (для подъема — на четвертую).

Переход на третью стадию заключается в передаче функции управления от человека к машине. Это -мы и наблюдаем за рубежом, где уже созданы, например, комбайны и буровые установки, оборудованные процессорами.

3.3. Закон прогрессивной эволюции технической системы [19]. Суть закона заключается в том, что переход к новой технологии, новым моделям и поколениям техники вызывается необходимостью устранения выявленных существенных дефек-тЬв и противоречий ТС, а также связан с потребностью улучшения соответствующих критериев эффективности. Действие закона основывается на логике, которая определяет следующие, наиболее вероятные, пути иерархического исчерпания возможностей ТС, реализуемые в виде нескольких соподчиненных циклов (рис. 5).

A. При неизменных функциональной структуре (ФС), .принципе действия (ПД) и технологическом (окнструктив-ном) решении (ТКР) улучшаются параметры ТС (цикл А).

B. После исчерпания возможностей цикла А происходит переход к более рациональному ТКР, после чего развитие оггпть идет по циклу А. При этом цикл А — В повторяется до приближения к наилучшему ТКР для данных ПД и ФС.

C. После нсчеопания возможностей используемого ПД может произойти переход к новому более эффективному ПД, после чего развитие ТС опять идет по циклу А — В, при этом цикл А — В — С повторяется до приближения к наилучшему ПД для множества известных 'в данное время физических, хи-мичеок их и биологических и других эффектов и явлений.

О. После исчерпания возможностей цикла А — 'В — С (а иногда А—В) целесообразен переход к более эффективной ФС.

Нетрудно заметить, что разработанная соискателем системная методология 'проектной деятельности (в частности, стратегии прямой оптимизации и итерационных приближений, см. рис. 3), базируется на исходных посылках закона прогрессивной эволюции ТС. Однако автор закона ограничил его действие лишь с 6-го по 3-й уровни проектной деятельности. Между тем из системной .методологии проектной деятельности, анализа истории развития техники и технологий, а также проектной практики ясно, что действие закона распространяется и'на 2-й и на 1-й уровни проектной деятельности, т., е. на формирование ТЗ. Поэтому соискателем предложены следующие дополнения к закону прогрессивной эволюции ТС.

Е. После исчерпания возможностей цикла А — В—С — О целесообразен пересмотр потребительских качеств (ПК) ТС (изменение параметров, исключение и/или формирование новых ПК).

И. После исчерпания возможностей цикла А — В — С — О — Е целесообразно формирование нового перечня функциональных потребностей (ФП), или иначе — функций, предъявляемых к ТС.

Эти дополнения придают логическую завершенность закону прогрессивной эволюции ТС, что позволяет более эффективно использовать его при проектировании технологий и техники.

Инвариантность закона не требует особых доказательств и, хотя он подсказывает лишь необходимость и стратегию изменений ТС (и уже этим полезен проектировщику), но получение новых технических решений наиболее вероятно при выявлении частных закономерностей развития ТС, по сути вытекающих из закона прогрессивной эволюции.

3.4. Выявление частных закономерностей развития технической системы [19]. Известна методика формирования мно-

жёсТва частных закономерностей развития ТС. Сущность ее и заключается в том, что сначала определяют критерии прогрессивного развития (КПР) ТС (подробнее о КПР будет оказано в следующем разделе), а затем последовательно рассматриваются возможности улучшения каждого КПР при изменении в ТС: количественных параметров; технологии (конструкции); принципа действия; функциональной структуры. С учетом предложенных соискателем дополнений к закону прогрессивной эволюции ТС, в данном случае следует также рассматривать -возможности изменения потребительских качеств и функций ТС. При этом описания даже тривиальных, но систематизированных технических решений безусловно полезны для обучения, изучения, проблемной области. Однако, так как сама методика является в определенной степени эвристической стратегией (одним из эвристических тоннелей, ведущих к сфере наиболее эффективных решений, см. рис. 2), то при выявлении под руководством соискателя частных закономерностей развития ряда горных ТС были получены и (патентоспособные технические решения, улучшающие сразу несколько КПР.

В качестве примера полезности выявления частных закономерностей развития ТС соискателем сознательно выбрана, по мнению (многих «отживающая» и бесперспективная (однако пока широко распространенная) технология — скреперная доставка руды (табл. 2).

Можно заключить, что общие законы и закономерности развития техники и технологий проявляются и в горной области, а действие закона прогрессивной эволюции ТС распространяется на все уровни проектной деятельности, что может быть с эффективностью использовано в концептуальном проектировании технологий подземной разработки рут.

4. ВЫЯВЛЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОДУКТИВНЫХ ЗНАНИЙ В КОНЦЕПТУАЛЬНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ

4.1. Критерии прогрессивного развития техники и технологий [[17—19]. При разработке новой технологии и техники ■проектировщик должен учитывать множество свойств ТС, определяющих ее полезность и плату за полезность. Среди этих свойств (но сути — потребительских качеств) есть такие, увеличение величины или влияния которых приводит к повышению ¡эффективности ТС, есть и такие, -когда эффективность ТС повышается при минимизации их величины или влияния. Таким образом, увеличение или уменьшение (а иногда и то и другое) величины или влияния качеств ТС в сущности и является критериями прогрессивного развития (КПР) техники и технологий. В горной области широко апробированньпми являются следующие критерии ТС: максимальная производитель-

ность н минимальная трудоемкость; минимальный суммарный ущерб от потерь 1! разубоживания; минимальная себестоимость добычи; минимальная себестоимость конечной продукции; максимальная хозрасчетная прибыль; максимум прибыли с единицы балансовых запасов; минимум 'приведенных затрат; максимум .дифференциальной горной ренты; минимум суммарных затрат и др. Отмечая правомерность использования этих критериев, в то же время следует признать, что при разработке новых горных ТС использовать эти критерии затруднительно, так как сформулированы они очень общо и не характеризуют многие функциональные, технологические и другие свойства ТС, которые следует улучшать. Между тем многие из КПР горных технологий и техники далеко не очевидны и с накоплением опыта должны непрерывно пополняться или корректироваться. Таким образом, создание систематизированного и конкретизированного набора К'ПР горных ТС, его пополнение и корректировка представляется важной задачей. Рассмотрим возможный подход к ее решению. За основу принята структура критериев, предложенная А. И. По-ловинкиным и скорректированная соискателем:

— функциональные, которые характеризуют важнейшие показатели реализации функций ТС;

— технологические, которые характеризуют только технологические особенности изготовления и эксплуатации ТС;

— экономические, которые связаны только с экономической целесообразностью реализации функций с помощью данной ТС;

— эргономические и экологические, которые связаны с .вопросами •положительного и отрицательного воздействия на людей, природу, вызванного созданием ТС.

Соискателем в результате анализа описаний эффективных изобретений в горной отрасли создан первый вариант перечня КПР горных технологий и техники [17—19]. При этом за основу были приняты РЕАЛИЗОВАННЫЕ ЦЕЛИ изобретений, что дает уверенность в достоверности и обоснованности сформулированных КПР. Понятно, что синтез новых функций и потребительских качеств определит на их основе и новые КПР. Следует отметить, что в процессе выбора из альтернативных 'вариантов ТС, ограничения и связи '.между отдельными К'ПР ТС приводят к необходимости идти на компромисс и принимать для каждого КПР не максимально возможное в принципе значение, а меньшее значение, при котором и другие важные КПР тоже будут иметь приемлемую величину.

4.2. Эвристические приемы [18, 19, 25]. В концептуальном проектировании при совершенствовании аналогов, прототипа всегда можно получить еще один результат— методический. Это способ, правило, принцип, называемые обобщенно эвристическими приемами (ЭП), с помощью которых в техниче-

оком решении получен -положительный эффект по сравнению с прототипом. Выявленные таким образом ЭП содержат подсказки, используя которые можно реализовать соответствующие функции при проектировании других ТС (что, однако,, не гарантирует нахождение удовлетворительного решения). Из ЭП различных отраслей (в основном ма-шино- и -приборостроение) А. И. Половинкиньи сформирован межотраслевой фонд эвристических приемов (140 ЭП), который интегрирует в методически доступной форме опыт многих проектировщиков, изобретателей. Однако универсальность межотраслевого фонда ЭП является достоинством и недостатком. Поэтому многим специалистам удобнее пользоваться отраслевым (специализированным) фондом, а опытные проектировщики обычно формируют и -индивидуальный набор (фонд) ЭП. В связи с этим создание фонда ЭП и для горной отрасли имеет серьезное научное и практическое значение. Некоторые выявленные горные ЭП могут иметь межотраслевой характер, что в свою очередь обогатит межотраслевой фонд эвристических приемов.

При сравнении отличительной части -в описании изобретения, патента с прототипом нетрудно увидеть за счет чего -получен (может быть получен) положительный эффект и сформулировать ЭП (можно -воспользоваться 'межотраслевым фондом ЭП). Однако не следует спешить заносить выявленный ЭП в отраслевой фонд на основе анализа одного технического решения (ТР). Возможно такой ЭП присущ только данному (назовем его базовым) ТР и тогда ценность его, как правило, не велика. Чтобы убедиться, является ли выявленный ЭП обобщенным, т. е. применимым в нескольких ТР, следует проверить его действие на 2—3 принципиально различных ТР, но имеющих 1—2 одинаковых (желательно специфичных) КПР. И если ЭП, выявленный в базовом ТР, «работает» в других ТР, т. е. применение его приводит к созданию нового облика ТР с положительным эффектом, то такой ЗП считается обобщенным и заносится в отраслевой фонд ЭП.

Для выявления отраслевых ЭП использована методика М. Ф. Зарипова, которая соискателем существенно скорректирована и дополнена. Некоторые результаты этой работы показаны на примере, 'приведенном в табл. 3. Последовательность действий была следующая:

1) выбраны три ТР -(представлены в таблице формулами изобретений),, у которых, общим является КПР— улучшение показателей извлечения (у 1-го и 3-го изобретения общий и другой КПР — уменьшение воздействия взрыва);

2) с использованием элементарных функций Р. Коллера описаны функционально-логические структуры каждого изобретения (показаны соответственно в 1-й, 5-й, 9-й клетках матрицы), причем более интенсивными линиями выделены, новые (по сравнению с прототипом) функции;

3) для каждого из выбранных ТР выявлены и с помощью межотраслевого фонда ЭП сформулированы частные ЭП (показаны в головке таблицы над функционально-логическими структурами соответственно 1-го, 2-го, 3-го ТР);

4) выявлены и аналогично ЭП размещены в головке таблицы основные физические и химические эффекты (ФЭ), используемые в каждом из выбранных ТР;

5) проведен мысленный эксперимент с целью использования:

— частных ЭП, КПР, ФЭ 1-го ТР для реализации соответствующих функций 2-го и 3-го ТР;

— частных ЭП, 'К'ПР, ФЭ 2-го ТР для реализации соответствующих функций 1-го и 3-го ТР;

— частных ЭП, КПР, ФЭ 3-го ТР для реализации соответствующих функций 1-го и 2-го ТР.

В результате возникло 6 новых ТР, несколько из них вполне патентоспособны. Некоторые из них относятся к разряду «экзотических». Однако история развития техники и технологий показывает, что подобные ТР нередко впоследствии получали эффективное практическое воплощение. Таким образом, можно сделать заключение, что выявленные частные ЭП можно отнести к обобщенным и пополнить эт'.т отраслевой фонд продуктивных знаний. Более подробно м .: ;дпха создания и использования отраслевого фонда ЭП в концептуальном проектировании показана в '['18].

4.3. Противоречия в технических системах [11, 19, 25, 30, 32]. Специалисты технического творчества считают, что противоречие— проявление несоответствия между разными требованиями, предъявленными человеком к системе, и ограничениями, налагаемыми на нее законами природы, социальными, юридическими и экономическими законами, уровнем раз-Еитня науки и техники, конкретными условиями применения и т. п. Иногда протворечие можно разрешить, изменив параметры процесса, машины, но когда противоречие обостряется, то чаще всего для его разрешения требуется качественный скачок — создание нового облика ТС.

Различают ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ, когда попытка изменить одну характеристику ТС (например, увеличить мощность взрыва в рудном массиве) приводит к ухудшению другой характеристики (уменьшается прочность прилегающего к рудному закладочного массива). Поэтому формулирование технического противоречия хотя и помогает глубже уяснить проблемную ситуацию, но обладает слабой эвристической функцией.

Специалисты рекомендуют формулировать ФИЗИЧЕСКОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ (обобщенное название, так как сюда относятся биологическое, химическое и другие противоречия), которое является очень сильным эвристическим прие-

.мом. Физическим противоречием (ФП) называется ситуация, когда к ТС или ее части предъявляются'противоположные (несовместимые) требования. Формулирование ФП является сложной задачей и требует серьезных навыков. Однако практика показывает, что четко сформулированное ФП. как правило, дает ответ, ¡как его разрешить. Последнее, в свою очередь, дает толчок к совершенствованию целой группы ТС, разных по облику, но имеющих одинаковое ФП.

Для ситуации, описанной в примере ТЕХНИЧЕСКОГО противоречия, ФИЗИЧЕСКОЕ противоречие'можно сформулировать следующим образом: «действие взрыва в рудном массиве до ГРАНИЦЫ с закладкой должно быть максимальным, а в закладке до ГРАНИЦЫ с рудным массивом должно быть минимальным (нулевым)». Таким образом, к ГРАНИЦЕ предъявляются два несовместимых требования. Как ни парадоксально, такая ситуация помогает предельно глубоко осмыслить задачу, увидеть, что это ФП является общим для всех ТС, где имеется ГРАНИЦА руда — закладка, независимо от нх (ТС) обликов. Концептуальное разрешение ФП. кач правило, применимо в любой ТС, где имеет место такое (типовое) ФП.

Известно II стандартных приемов разрешения ФП. Однако, по мнению соискателя, наиболее эффективными являются два:

1) 'разделение противоречивых свойств в пространстве;

2) разделение противоречивых свойств во времени.

Первый прием сразу привел соискателя к обобщенному решению в приведенном при'мере: «раздвинуть» границу между рудным массивом и закладкой; второй—заполнить эту «пустоту» демпфирующим материалом, обеспечивающим меньшую (чем в руде) скорость прохождения взрывной волны. Различные технологические реализации этих базовых вариантов дали ряд патентоспособных эффективных решений (приведены на рис. 6, а).

Таким образом, можно сделать заключение, что типовое ФП и его разрешение является продуктивным знанием (эвристическим тоннелем), а формирование отраслевого фонда типовых ФП и их разрешений имеет серьезное научное и практическое значение.

Можно привести другие примеры из формируемого .под руководством соискателя отраслевого фонда типовых ФП: «закладка должна быть и не быть» — на технологическое уровне это может быть реализовано за счет создания пустот в закладке (например, газонаполненными включениями, соответствующим порядком разработки и закладки, рис. 6, б); «негабаритные куски должны появляться раздельно и одновременно» — это позволило внести совершенствования в скреперную доставку (а. с. СССР № 655829, а также другие патентоспособные решения, приведенные .в табл. 2); «несущий орган

й с г

Г •• Г V" * '■'.

1.С. СССР N 11849*ЗГРемяшс о выдаче патента Рф) Решение о выдаче шггетч РФ| Патент РФ N 20247511 0

* " ■ У.' ;» л.

г * л * * * * •

* ' У^Л ; * /у] $

Решение о выдаче патента РФ | * Решение о выдаче патента РФ [

№

I,

а ад

л

иг

0

< , Л

Решение о выдаче патента РФ

'ис.бГ"Кот«т^альн£Ге".модели новых технологий итехникн, подученные" на основе типовых горних| физических противоречий: действие взрыва в рудном массиве до границы с закладкой должно быть максимальным, а в закладке от границы с рудным массивом - минимальным (рис. ф); закладка должна быть и не быть ис. 60); негабаритные куски должны появляться раздельно и одновременно, несущий орган должен быть непрерывным и дискретным, открытым к закрытым, изгибаться и не изгибаться (рис. Ьр).

должен быть непрерывным и дискретным, открытым и закрытым, изгибаться и не изгибаться» — это привело к разработке повой концептуальной модели крутонак'лонного изгибающегося конвейера (рис. 6, в).

4.4. Ресурсы в технических системах [19, 25, 32]. Выявление и использование ресурсов ТС является одним из эвристических тоннелей к ИКР. Известны следующие -виды ресурсов: вещественный, энергетический, информационный, пространственный, временной, функциональный, системный. Во многих случаях необходимые для решения задачи ресурсы имеются в годном для применения виды — ГОТОВЫЕ РЕСУРСЫ. Нужно только провести мысленные эксперименты по их выявлению и использованию.

Например, под землей есть вода, воздух, рудная масса, оборудование — готовые вещественные ресурсы (например, пропускание выхлопных газов дизельных ПДМ или самосвалов через рудную массу резко снижает токсичность газов); гравитация — готовый энергетический ресурс; изменение (появление) звука пород при разрушении их монолитности — готовый информационный ресурс; ковш-ковшовой ПДМ — готовый пространственный ресурс (можно почти в 2 раза увеличить грузоподъемность (производительность) ПДМ, не увеличивая размеры ковша и динамические размеры самой ПДМ). Весьма эффективным готовым пространственным ресурсом в подземных горных технологиях являются подземные пустоты, а также квазипустоты, так как сюда можно отнести и пространства, заполненные раздробленной рудой, породой (и, разумеется, воздухом). Готовый функциональный ресурс — вентиляционная выработка нередко используется как запасной выход, для доставки оборудования. Многие ресурсы и возможности их применения очевидны, но знания об этом не систематизированы. Однако немало ресурсов и возможностей их применения далеко не очевидны. Все это привело соискателя к заключению о необходимости формирования отраслевого систематизированного фонда ресурсов. Эта задача особенно актуальна в связи с тем, что нередки ситуации, когда имеющиеся ресурсы могут быть использованы только после определенной подготовки: накопления, видоизменения и т. п. Такие ресурсы называются ПРОИЗВОДНЫМИ.

Например, «производный» от воды вещественный ресурс — лед может быть использован в качестве закладки, -крепления, предохранительной подушки и др. Производным вещественным ресурсом может быть теплый воздух, -когда с помощью воздушного шарика нужно померить высоту камеры, а легкий газ отсутствует. Можно, наконец, с небольшими затратами подавать через кондиционер в кабину ПДМ, самосвала, экскаватора не просто чистый воздух, а «горный», «морской» воздух, с лекарственными препаратами и лечить во время рабо-

ты силикоз, антракоз, сидероз, астму и т. д. Таким образом, формируемый под руководством соискателя систематизированный фонд готовых и производственных ресурсов очень полезен в гконцептуально'м проектировании технологий и техники.

4.5. Аналогии технических систем в живой и неживой природе [19, 25, 30—32]. Для осуществления задач концептуального проектирования ¡могут быть попользованы следующие виды аналогии: функциональной аналогии; структурной аналогии; внешней фо'рмы; субстратных аналогий; отношений. Известно несколько десятков постулатов, выражающих условия эвристичности аналогии. Наибольшее практическое значение из них, по мнению соискателя, имеют два постулата:

— чем более полна аналогия между сравниваемыми объектами, тем более оригинальны'м является вывод;

— чем более близка аналогия -между сравниваемыми объектами, тем более тривиален вывод, чем более отдалена аналогия между сравниваемыми объектами, тем более оригинален вывод.

Например, с обывательской точки зрения нет ничего похожего между животным -и конвейером, однако -именно функциональная и структурная аналогии -перистальтического механизма животного дали идею -может быть самого перспективного перистальтического конвейера, а также насосов, движителей и др. Поэтому создание отраслевого фонда аналогов ТС (или их элементов) в живой и неживой природе имеет важное научное и практическое значение. Однако многие проектировщики выявляют аналогии лишь на основе чувственного ассоциативного представления, возникающего в -подсознании, что ограничивает возможности метода аналогий. В связи с этим группой авторов [26, 31] разработана инвариантная автоматизированная система поиска аналогов ТС в живой и неживой природе при концептуальном проектировании технологий и техники.

Основой формализованного представления предметной области и проблемной ситуации являегся модель «объект — признак». При этом под объектом подразумевается информационная структура, состоящая из имени объекта (термина или семантически связанной последовательности терминов) и описания объекта (совокупности признаков и отношений между ними). Признаки, характеризующие объект, отражают его функциональную и принципиальную сущности, использование (назначение), происхождение, свойства. Центральным звеном механизма поиска аналогии является процедура формирования интегрированной оценки степени общности (подобия, схожести или аналогичности) предполагаемого технического решения (прототипа проектируемого объекта или процесса) и объекта, рассматриваемого в качестве «кандидата в аналоги»

данного прототипа. На заключительном этапе осуществляется анализ представлений выделенных в результате поиска моделей и перенос ряда их признаков на исходный прототип. Правомерность получаемых таким образом выводов обусловливается наличием непустого пересечения множеств признаков исследуемых объектов.

Автоматизированная система реализована на 1ВМ-совме-стимой ПЭВ'М с жестким диском, объемом ОЗУ 640 кбайт под управлением ОС МБ-ООБ версии 3.30 и выше.

5. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ГЛОБАЛЬНОГО ФУНКЦИОНАЛЬНО-ФИЗИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Для информационного обеспечения концептуального проектирования технологий 'подземной разработки рудных месторождений необходимо системно формировать фонд (базу дан-пых) описаний наиболее эффективных ТР, которые могут послужить в качестве прототипов для решения различных проблемных ситуаций. При этом каждое ТР должно быть подвергнуто глобальному анализу для выявления различных видов продуктивных знаний, ориентирующих проектировщика па наиболее вероятные пути совершенствования прототипа или создания принципиально новой технологии и техники.

Методика глобального анализа, разработанная соискателем, предполагает следующую последовательность действий [18, 19].

1. Дать краткое словесное описание ТР (с указанием источников информации), схему.

2. Выявить главную, основные, вспомогательные, вредные и нейтральные функции.

3. Сформировать функционально-логическую структуру ТР, выделив в ней новые (по сравнению с прототипом) функции.

4. Выявить и описать реализуемые критерии эффективности (потребительские качества) ТР, характеризующие меру его полезности, совершенства, технический уровень и конкурентоспособность. Указать количественные характеристики критериев.

5. Выявить критерии -прогрессивного развития.

6. Выявить частные эвристические приемы (ЭП). После определения возможности использования частных ЭП в других ТР, зафиксировать эти ЭП как обобщенные.

7. Выявить используемые в ТР физические, химические, биологические, геометрические и другие эффекты. Указать источник информации, где они описаны. Рассмотреть принципиально различные реализации эффектов (например, эффект взрыва: на свободную 'поверхность; -при увеличении количе-

ства и изменении геометрии свободных поверхностей; на зажимающий ¡материал; кумулятивный эффект и др.). Использовать морфологический анализ.

<у„ Выявить физическое -противоречие (ФП) в ТС и сформулировать обобщенное (типовое) решение Ф-П.

9—1'1. Сформулировать выводы (следствия) проявления законов соответствия между функциями и структурой ТС, стадийного развития, прогрессивной эволюции.

12. Выявить частные закономерности развития ТС для различных уровней ее возможных изменений.

13. Выявить ресурсы ТС и сформулировать рекомендации по их использованию.

14. Выявить аналогии ТС в живой и неживой природе.

Таким образом методика проведения глобального функционально-физического анализа по существу системно обобщает выявления всех видов продуктивных знаний, 'перечисленных в разделах 2—4 данной диссертации. Результаты проведенного анализа -более 100 ТР подтвердили эффективность использования разработанной ¡методики. В связи с этим можно сделать частное заключение, что основой получения новых продуктивных знаний для концептуального проектирования технологий подземной разработки рудных месторождений является глобальный функционально-физический анализ ТС.

6. ВИДЫ, МЕТОДЫ, СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ГОРНЫХ ЗНАНИЙ

Развитие науки, техники и -производства во всех отраслях -привело к значительном'у увеличению информационных потоков, что вызвало необходимость создания инструментальных средств и информационных технологий принципиально нового типа, основанных на -применении персональных компьютеров. Эти средства, реализованные в автоматизированных системах (наиболее -эффективно — в так называемых экспертных системах), функционируют с помощью развитых методов работы со знания-ми, объединены общим свойством интеллектуальности и дружелюбия по отношению к пользователю. Широко используемые в различных отраслях, эти средства еще недостаточно (за исключением САПР для оптимизации количественных параметров ТС) применяются >в го-рной области.

Практически отсутствуют горные экспертные системы, проблемно-ориентированные базы данных и др. Насколько известно, горная отрасль единственная из всех отраслей в России, которая до -последнего времени не имела автоматизированного тезауруса горных знаний. Среди разных причин, препятствующих разработке и внедрению компьютерных систем в горную науку и практику, довольно распространенным является мнение о специфичности горных знаний, что якобы не позво-

ляет (или затрудняет) использование современных ¡методов и способов представления знаний. Все это и побудило соискателя провести исследования возможностей современных методов и способов представления знаний применительно к горной отрасли, а также разработать автоматизированные системы (кадастр физико-технических параметров пород и минералов, тезаурус, выбор проектных решений) для использования в концептуальном проектировании.

6.1. Виды, методы и способы представления горных знаний [8—10, 12, 16, 19, 24—27, 30, 31]. Исследования показали, что в горной области присутствуют все виды знаний: ДЕКЛАРАТИВНЫЕ, ПРОЦЕДУРАЛЬНЫЕ, СМЕШАННЫЕ, УПРАВЛЯЮЩИЕ, а для формализации горных знаний могут быть использованы все современные методы и способы представления знаний. ЛОГИЧЕСКИЕ, например, правильно построенные формулы- (ППФ), включающие -кванторы существования (3) и общности (V): (3*) V ГАЗ (х) ВЗРЫВООПАСЕН (х): некий газ может взорваться.

(ух) [ТВЕРДЕЮЩАЯ ЗАКЛАДОЧНАЯ СМЕСЬ (х)-*-->КОМПОНЕНТ (х, вяжущее вещество)]: в состав всех твердеющих закладочных смесей входит в качестве -компоненты вяжущее средство. ПРОДУКЦИОННЫЕ, например, высказывание «большая глубина разработки или большое горное давление, или необходимость интенсивной выемки в значительной степени свидетельствуют о необходимости одностадийной выемки» -может быть представлено в следующем виде:

НЕОБХОДИ- ОДНОСТАДИИ-БОЛЬШАЯ БОЛЬШОЕ МОСТЬ НАЯ ГЛУБИНА или ГОРНОЕ или ИНТЕНСИВНОЙ Ьв, Ьп ВЫЕМКА РАЗРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕ ВЫЕМКИ--»

Р

В этой записи Ьэ, Ьп — отношения правдоподобия, которые определяют степени необходимости и достаточности правила, а Р — вероятность того, что условие действительно предполагает правило. Примеры использования СЕМАНТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ (и их разновидностей, например, «и/или дерево»), ФРЕЙМОВ для описания горных технологических комплексов показаны на рис. 7. Сравнительный анализ известных экспертных систем позволяет утверждать, что при формализации горных знаний для концептуального ¡проектирования в большинстве случаев наиболее предпочтительной будет комбинация фреймового подхода с методом, основанным на правилах -продукции. Однако для автоматизации оправочно-ин-формационного обеспечения проектирования или для специализированных систем (например, для принятия решения) целесообразнее использовать менее трудоемкие подходы.

6.2. Автоматизированный кадастр физико-технических параметров (ФТП) горных пород и минералов [27]. Выбор (проектирование) горного оборудования и технологий в значительной степени основаны на ФТП горных пород и ¡минералов. Сведения о ФТП пород и минералов даже одного месторождения трудно обозримы. Поэтому актуальность создания автоматизированного кадастра ФТП пород и минералов очевидна.

Основой информационной модели автоматизированного кадастра, разработанного под руководствам соискателя, является описание пород и минералов по 25 наиболее влияющим параметрам (прочностным, эксплуатационным, общефизическим и т. п.). Значение каждого параметра выражается парой <Среднее (математическое ожидание). Разброс (дисперсия) > или <Минимум, Максимум>. Кадастр позволяет решать следующие задачи.

1. Получать и систематизировать информацию о названиях и ФТП 850 пород и 150 ¡минералов 400 месторождений и горнодобывающих предприятий 'бывшего СССР (угольных, железорудных, цветных металлов, строительных 'материалов).

2. Получать сведения о минеральном составе ¡пород и химических формулах минералов: осуществлять автоматический перерасчет составов и формул в процентный состав из химических элементов (по массе): проводить поиск по химической формуле и минеральному составу. Для удобства анализа и составления химических формул минералов имеется режим работы с периодической таблицей химических элементов Д. И. Менделеева. Кроме научных -и практических целей кадастр используется и в учебной работе, т. к. содержит информацию об определениях (по ГОСТ) любого из ФТП, методике его измерения или расчета и областях применения. Создана и англоязычная версия кадастра.

6.3. Автоматизированный тезаурус горных знаний. Нередко специалисту (а тем более студенту) необходимо уяснить значения термина, понятия. Специалист при обращении к техническому (например, горному) словарю в определениях термина, ¡понятия, как правило, встречает новые термины и понятия, сноЕа обращается к словарю и т. д. Такие итерации хотя и полезны,, но трудоемки и недостаточно помогают представлению специалиста о технической системе или проблемной области в делом, а также о «месте» искомого термина или понятия в ТС или проблемной области. Помощь в этом может оказать представление горных знаний в виде тезауруса — идеографического словаря, в котором показаны семантические отношения (родо-видовые, структурные, синонимические и другие) между лексическими единицами (терминами, понятиями). Компьютерный вариант тезауруса имеет новые возможности. Разработанный под руководством соискателя такой ин-

струментарий включает около 200 статен и связанных определенными отношениями горных терминов и понятий [19, 27]. Системное представление репродуктивных знаний в тезаурусе обладает довольно сильной эвристической функцией, так как выраженные родо-видовые отношения, а особенно ¡классы от-отношенпй «выше целое», «ниже часть» и синонимы (например, качание — раскачивание, колебание; непромокаемый — водоотталкивающий) стимулируют появление у проектировщика идей о новых реализациях элементов ТС или даже всей системы. При наличии больших проблемно-ориентированных баз данных автоматизированный тезаурус может использоваться как эффективный поисковый аппарат.

6.4. Инвариантная автоматизированная система многокритериального выбора проектных решений. Как показал опыт, использование в концептуальном проектировании разработанной системной методологии позволяет получать множество альтернативных проектных решений с различными качественными и количественными параметрами для достижения (с различной эффективностью) цели проектирования. В этих условиях корректная оценка и выбор нехудших проектных решений могут быть оперативно осуществлены только с помощью специализированной автоматизированной системы. Такая система разработана группой авторов [28] и представляют квазнреляционную модель данных, позволяющую включать описания 15 параметров до 30 однородных объектов (например, альтернативных проектных решений одной проблемной ситуации). Эти параметры -могут быть описаны как в цифровом (например, 15 км/ч, 20 т), так и в символьном виде (например, «комфортный», «чистый», «грузит»). В системе реализован следующий критериальный интерфейс: скалярный критерий с одним показателем качества; критерий с уступками; лексикографический -критерий; критерий Парето. Используя систему можно наглядно оценить «полезность» и «плату за полезность» каждой альтернативы, а также принять решение о возможных компромиссах.

7. АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Разработка алгоритмических основ проектной деятельности является необходимым первым этапом к созданию автоматизированного комплекса проектной деятельности, обеспечивающего в том числе этапы .концептуального проектирования. Разработанные соискателем алгоритмические основы базируются на системной методологии проектной деятельности, предусматривающей использование всех иидов описанных выше репродуктивных и продуктивных знаний, а также специализированных систем, и предполагает следующую упрощенную последовательность действий (этап подготовки документации не приводится) [19].

1. Сформировать первоначальный перечень функций.

3 33

2. Сформировать первоначальный перечень потребительских качеств.

3. Провести корректировку перечней.

4. Провести отбор аналогов и прототипа (если прототип соответствует целям проектирования, то конец работы; если нет, то переход к этапу 5).

5. Оптимизировать параметры прототипа (если результат удовлетворяет, то конец работы; если нет, то переход к эта-пуб).

■6. Использовать продуктивные знания, полученные в результате ¡проведения глобального функционально-физического анализа прототипа, для его совершенствования (К.ПР, обобщенные ЭП, ФП и их типовые решения, следствия законов и закономерностей, ресурсы, аналогии).

7. Провести из полученных TP отбор нехудших (если результат удовлетворяет, то конец 'ра'боты; если нет, то переход к оптимизации параметров TP; если результат удовлетворяет, то конец работы; если нет, то переход к этапу 8).

-8. Провести синтез новых принципов действия.

9. На основе результатов этапа 8 провести этап 4 и, если необходимо, то этапы 5, 6, 7 (если результат удовлетворяет, то конец работы; если нет, то переход к этапу 10).

10. Провести синтез новых функциональных структур.

Iii. На основе результатов этапа 10 провести этап 8 и 4 и,

если необходимо, то этапы 5, б, 7 (если результат удовлетворяет, то конец работы; если нет, то переход к этапу 12).

12. Провести корректировку перечня потребительских качеств, затем этап 4 и, если необходимо, то этапы 5—11 (если результат удовлетворяет, то конец работы; если нет, то переход к этапу 13).

13. Провести корректировку перечня функций, затем на основе нового ТЗ этап 4 и, при необходимости, этапы 5—11 (если результат удовлетворяет, то конец работы; если нет, то переход к стратегии синтеза новых проектных решений, начиная с формирования нового ТЗ).

Опыт использования системной .методологии проектной деятельности и ее более «жесткого» алгоритмического варианта показал их высокую эффективность не только для создания конкурентоспособных концептуальных моделей технологий и техники, но и для использования в профессиональном обучении в рамках креативной педагогики (рис. 8). Под руководством соискателя ряд так называемых «безнадежных» студентов при дипломном проектировании за 1,5—2 месяца существенно повысили свой творческий потенциал, что позволило получить значимые научные и практические результаты [3, 6, 37—39].

Подробно о креативной педагогике написано в Г19, 30, 31, 33].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации в виде научного доклада на основании выполненных автором исследований разработаны теоретические положения, в совокупности являющиеся новым крупным достижением в развитии научного направления — концептуального проектирования подземной разработки рудных месторождений, имеющего важное народнохозяйственное значение для горнодобывающих отраслей России.

Наиболее существенные научные выводы и практические результаты заключаются в следующем.

1. Разработана системная методология'Проектной деятельности, включающая этапы концептуального проектирования — наиболее эффективного пути совершенствования горных технологий и техники. Обосновано, что повышение эффективности концептуального проектирования в целом достигается в зависимости от наличия или отсутствия адекватных аналогов и прототипа за счет использования соответственно стратегий итерационных приближений или синтеза новых проектных решений.

2. Установлено проявление общих законов и закономерностей развития техники и технологий в горной отрасли, что позволяет рекомендовать их для использования при проектировании горных технических систем. Обосновано, что действие закона прогрессивной эволюции технической системы распространяется на потребительские качества и функции технической системы.

3. Предложены пути преодоления психологических барьеров мышления при концептуальном проектировании технологий и техники разработки рудных >месторождений, заключающиеся в последовательном описании проектных задач и/или технических объектов на различных уровнях абстракции: в виде функционально-логических структур на основе элементарных функций Р. Коллера; набора обобщенных функций и потребительских качеств; принципов действия техники и технологий.

4. Обоснован выбор эвристических методов, приемов, закономерностей для использования в 'Концептуальном проектировании горных технологий и техники. Созданы примерные отраслевые фонды (базы данных) критериев прогрессивного развития техники и технологий,, эвристических приемов, физических и других эффектов, типовых физических противоречий, следствий из законов и закономерностей развития технических систем, ресурсов, аналогий в живой и неживой природе.

5. Разработана методика проведения глобального функционально-физического анализа технических решений, заключающаяся в выявлении и систематизации по определенным пра-

3*

35

вилам различных видов продуктивных знаний, ориентирующих проектировщика на наиболее вероятные пути совершенствования прототипа или создания принципиально новой техники и технологий. Показано на практических примерах, что проведение такого анализа является основой получения новых продуктивных знаний для концептуального проектирования горных технологий и техники.

6. Показано на практических примерах, что в горной области присутствуют все виды знаний (декларативные, проце-лральныв, с мешанные, управляющие), а для их формализации могут быть использованы любые современные .методы и способы представления знаний. Впервые в виде семантической сети, и/или дерева, фреймов описаны достаточно сложные горные технологические комплексы (варианты днища блока). По аналогии с другими отраслями это дает основание полагать, что горные знания не имеют специфики, препятствующей созданию современных эффективных компьютерных систем, основанных на декомпозированных описаниях технических систем с различными связями между элементами.

7. Впервые описаны горные знания (около 200 терминов и понятий) в виде родо-видовых ц других отношений—тезауруса, который стимулирует появление у проектировщика идей о новых реализациях элементов технической системы или даже новой системы. Разработана инвариантная автоматизированная система ведения тезауруса. В больших проблемно-ориентированных базах данных автоматизированный тезаурус может использоваться как эффективный поисковый аппарат.

8. Предложены метод и средство выявления неявных аналогов проектируемых технических систем в живой и неживой природе, отличающиеся описанием объектов формализованной совокупностью признаков и отношений ¡между ними с последующим установлением непустого пересечения множеств признаков. Разработана инвариантная автоматизированная система выявления аналогий.

9. Разработан автоматизированный кадастр (русская и английская версии) физико-технических параметров (25) горных пород (800) и минералов (150) угольных, рудных и других месторождений (около 400) бывшего СССР, что позволяет оперативно получать различные систематизации физико-механических параметров пород и минералов, а также другую информацию.

10. Разработана инвариантная автоматизированная система .многокритериального выбора проектных решений, представляющая собой квазиреляционную модель, позволяющую описывать 15 параметрами до 30 любых однородных объектов (альтернативных проектных решений одной проблемной ситуации), наглядно оценАать «полезность» и «плату за полезность» каждой альтернативы, а также принимать решения о возможных компромиссах.

11. Разработаны алгоритмические основы проектной деятельности, являющиеся необходимым первым этапом к созданию соответствующего автоматизированного комплекса.

12. В качестве практических примеров реализации разработанных .методологий и средств концептуального проектирования созданы конкурентоспособные способы разработки рудных, месторождений, способы реализации и .контроля процессов горных работ, а также концептуальные модели горных технологических комплексов и оборудования. Ряд из них (5) защищены авторскими свидетельствами СССР, патентом (1) Российской Федерации. На 11 разработок получены положительные решения о выдаче патента Российской Федерации.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

|1. Попов В. В. Контроль состояния массива пород, окружающего подземные пустоты. — В сб.: Рудник будущего при механизированной подземной разработке мощных месторождений Крепких руд.—М.: М'ГИ,- 1979, с. 49—50.

2. Именитов В. Р., Абрамов В; Ф., Попов В. В. Локализация пустот при подземной добычи руды. — М.: Недра, 1983, 190 с.

3. Попов В. В., Пенкин В. Ф., Архипов В; М., Гагина Л. В. Новые возможности применения быстротвердеющей пены в горной технологии. — В сб.: Совершенствование технологии и техники 'подземной разработки рудных месторождений. — М.: А1ГИ, Ш83, с. 101 —105.

4. Попов В. В. Методические основы научного^ творчества студентов.— В сб.: Проблемы эвристики. Часть П. Техническая кибернетика и педагогическая эвристика. — Юрмала, Ь984, с. 32—34.

5. Именитов В. Р., Попов В. В., Трусов А. А. Методические указания по выполнению исследований в курсовых и дипломных 'проектах по специальности 0202—ТПР. — М.: М'ГИ, 1,984, 41 с.

6. Попов В. В. Применение быстротвердеющих1 пен при 'подземной разработке рудных месторождений. — В сб.: Перспективы развития технологии подземной разработки рудных месторождений. — М.: МГИ, 1985, с. 68—69.

7. Попов В. В., Буш Г. Я. Об использовании общего фонда методологических средств эвристики при обучении молодежи' научно-техническому творчеству. — В сб.: Совершенствование организации'и методического обеспечения научно-исследовательской работы студентов.—'М.: НИИВШ, 1986, с. 37—40.

8. Попов В.' В. Методология автоматизации синтеза горных технологий и технических систем. — В сб.: Методические проблемы научно-технического творчества.— Юрмала, 1088, с. 21—22.

9. Лобанов 10. И., Гришин В.' А:, Камаев' б: А., Попов В.'ВГ Поддержка творческой учебной деятельности в экспертных поисковых обучающих' системах. — В сб.: Разработка и применение экспертно-обучающих систем. — М.: НИИВШ, 1989, с. 66—71.

10. Попов В. В.; Пепелев Р. Г. Автоматизация синтеза новых технических решений в области горного производства. — В сб.: Интеллектуальные, ресурсы развития научно-технического прогресса. Чегетский форум'8,9 — М.: ВНИИПИ, ¡989, с. 360—362.

М. Основы научных исследований: Учеб', для техн.' вузов/В. И. Кругов, И. М. Грушко, В. В. Попов и др.;/Под ред. В. И.' Крутова, В. В'. Попова,—М.: Высшая школа, 1,989, 400 с.

12. Пепелев Р. Г., Попов В. В. Принципы построения экспертной обучающей системы по проектированию в области горного производства.— В сб.: Методы и системы технической диагностики. — Саратов, СГУ, 1989, с. 41—43.

■13. Чернегов Ю. А., Попов В. В. Основы концептуального ¡проектирования горной технологии и техники. — В сб.: Проблемы формирования си-ете:м машин и техники новых'поколений. — М.: ВНИИПМ, ,1090, с. 3—4.

14. Попов В. В. Три стратегии синтеза новых и совершенствования известных проектных решений. — В сб.: Автоматизация ¡поискового конструч-рования— теория и методы технического творчества (АПК-90). — Ижевск, 1990, с. 1|8—1,9.

•15. Ищенко И. С., Попов В. В. Проявление закона стадийного развития в горном деле. — В сб.: Автоматизация поискового конструирования — теория и методы технического творчества (АПК-90). — Ижевск, 4.990, 2 с.

16. Федосенко М. 10., Попов В. В. Представление горных знаний в автоматизированных системах с элементами искусственного интеллекта. — В сб.: Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводителньых подземных рудников. — М.: МГИ, 1,990, с. 189.

17. Попов В. В. Критерии прогрессивного развития подземной горной технологии и техники. — В сб.: Теория и практика проектирования, строительства и эксплуатации высокопроизводительных подземных рудников. — М.: МГИ, 1¡990, с. 216.

'18. Попов В. В. Функционально-физический анализ и синтез концептуальных моделей технологий и техники. Деи. в НИИВО 18.04.90 № 873—790 ДЕП, — М.: НИИВО, 1.990, 47 с.

il,9. Попов В. В. Научное обоснование компьютерной поддержки креативной педагогики и обучения профессиональному творчеству. Доп. в НИИВО 30.10.91 № 674—91 ДЕЛ, —М.: НИИВО, 1991, 106 с.

20. Попов В. В., Чернегов Ю. А., Половинкин А. И., Взятышев В. Ф. О «третьей культуре», или «Дизайне с большой буквы»/Совремеш[ан высшая школа. — М.: ¡991, № 1, -с. 67—75.

21. Valéry V. Popov. Conceptual Methodology and Planning of Iron-Ore Tecnnology: Fourteen Heuristic Tunnels to Success. American Mining Congress. MINExpo lnternational'92. Session Papers. Las Vegas, USA, 1992, p. 463—469.

22. V. V. Popov. Conceptual Design of Mining Tecanologies, or Fourteen Heuristic Tunnels Leading to Success. Inventic review. Yasse, Romania, 1993, vol. 2 IV N 11, p. 19—24.

23. Valéry V. Popov. Conceptia tehnologiilor miniere sau partrusp-rezece tunelc euristice spre succès. Revista de Inventica. Vol. 2 An. IV, 1993. Nr. 11, s. 16—18.

24. Попов В. В., Протасов Ю. И., Грибов В. Т., Попов Р. В. Физические эффекты и явления в горном деле. Учебное пособие. Ч. ¡1. — М.: МГИ, 1993, 110 с.

25. Попов В. В. Об эвристических базах данных в концептуальном проектировании горных технологий. — В сб.: Методология инженерного творчества, —М.: МГГУ, 1,993, с. 33—36.

26. Башмаков А. И., Попов В. В. Автоматизированная система поиска аналогов в живой и неживой природе при концептуальном проектировании техники и технологий. — В сб.: Университетские сети знаний. — М.: ИОХ РАН, 1994, с. 42—45.

27. Башмаков А. И., Попов В. В. Проблемно-ориентированные базы данных по физическим свойствам горных пород и тезаурус горных знаний. — В сб.: Университетские сети знаний. — М.: ИОХ РАН, 1994 с 46— 49.

28. Кандырин Ю. В., Попов В. В. Инвариантная автоматизированная система многокритериального выбора проектных решений.— В сб.: Университетские сети знаний. — М.: ИОХ РАН, 1,994, с. 55—57.

29. V. V. Popov. Vocational Training as the Basis of Systematic Methodology of Design Ala king and Creative Pedagogics- Distance Learning and New Tecnnologies in Education (ICDED'91), Proceedings, Moscow, 1994, p. 238—240.

30. V. V. Popov. On ttie Prese ntation on Knowledge in the Automatic Systems of Conceptual Design. East — West. International Conference .Information Technology in Design (EWITD'91). Proceedings, Part 1, Moscow, 1994, p. 163—164.

31. Техническое творчество: теория, методология, практика. Энциклопедический словарь-справочник/Под ред. А. И. Половинкина, В. В. Попова. — М.: НПО «Информ-система», фирма NAUKA LTD (Япония), 1994, 410 с.

32. Попов В. В. О создании и использовании в концептуальном проектировании технологий н техники фондов типовых противоречий и ресурсов технических систем. — В сб.: Инновационное образование и инженерное творчество. — М.: Эвристика, 1995, с. 62—65.

33. V. V. Popov. Professional creativity training on tiie basis of system methodology of design activity and creative pedagogic. International conference of engineerrng education (1CEE'95). Absiracts. Moscow, 1S95, p. 158.

34. 589409 СССР. МКИ E 21 С 41/06. Способ контроля состояния горных пород/В. Р. И.мгпнтов, В. А Толстунов, В. В. Попов. В. А. Коваленко, Г. С. Бондарев, В. Т. Ларьков (СССР). —№ 21,26097. Заявлено 18.04.77. Опубл. 25.01.78. Бюл. № 3.

35. 655829 СССР. МКИ Е 2Ь С 41/06. Способ доставки руды/В. Р. Именптов, В. В. Попов (СССР). —№ 2499850/22-03. Заявлено 23.06.77. Опубл. 05.09.79. Бюл. № 13.

36. 1010275 СССР. МКИ Е 21 С 41/06. Способ подземной разработки рудных мсеторождешш/В. Р. Именптов, В. В. Попов (СССР).—№ 3365650. Заявлено 15.12.81. Опубл. 07.04.83. Бюл. № 13.

37. Ы84943 СССР. МКИ Е 21 С 41/06. Способ разработки рудных месторождений/В. В. Попов, В. Р. Именптов, И. П. Черкасов, A. Е. Ма-ленин, 3. И. Салина, В. Ф. Пенкнн (СССР). —№ 3726215. Заявлено 12.04.85. Опубл. 15.10.85. Бюл. № 38.

38. 1710932 СССР. МКИ Е 21 С 41/16. Способ подземной 'разработки рудных месторождений/В. В. Попов, Г. Г. Ломоносов, И. С. Ищенко (СССР). — Л"» 181(1790. Заявлено 9.04.90. Опубл. 07.02,92. Бюл. Kb 5.

39. 2024751 РФ. МКИ Е 21 С 41/00, 41/22. Способ подземной разработки руд/В. В. Попов, Ю. И. Протасов, И. С. Ищенко (РФ).— № 5068382. Заявлено 15.03.92. Опубл. 15.12.94. Бюл. Лг 23.